一种Modbus／TCP工业以太网协议的结构

1、一种M o d b u s/T C P工业以太网协议的结构摘要：本文主要介绍了一种 Modbus/TCP工业以太网 协议的规范和主要功能分类，在处理 Modbus/TCP转换的时 候可以参考。关键词：工业以太网；Modbus/TCP协议中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)31-0855-02The Achievement of the Modbus/TCP of IndustrialEthernetHUO Heng-yu(School of Computer Science & Technology,Soochow University,Suzh

2、ou215500, China )Abstract: This article introduced a Modbus/TCP industrialEthernet protocol norms and the main function of the classification.Key words: industrial ethernet; modbus/TCP1引言自法国施耐德电气公司推由“透明工厂”战略以来，其 已经成为在工业领域中应用以太网的坚决倡导者。Modbus/TCP是目前工业以太网事实上的标准之一，并促进 以太网在传感器和设备级的应用。2003年IDA和Modbus 合并为M

3、odbus-IDA ,实时工业以太网部分称为 Modbus/TCP(RTSP),成为 IEC61784-2 成员之一。Modbus/TCP协议：用简单方式将 Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性。物理层和数据链路层是标准 的以太网协议，网际层是标准的IP协议，运输层是标准的TCP协议，应用层嵌入 Modbus协议。2 Modbus/TCP协议规范2.1 报文类型Modbus报文传输服务提供设备之间的客户机 /服务器通 信，而这些设备联接在一个以太网上， 信息传递分4类报文： Modbus请求、Modbus证实、Modb

4、us指示和 Modbus响应， 如图1。Modbus请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理 的报文；Modbus指示是服务器接收的请求报文；Modbus响应是服务器发送的响应报文；Modbus证实是客户机接收的响应报文。2.2 通信结构Modbus/TCP基本是用简单方式将 Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适 用于Modbus的主站/从站特性，交换式以太网为用户提供了确定性特征。系统可以包括不同类型的设备：客户机、服务器、网桥、路由器、网关等。2.3 报文规范Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）,它包括功能码和数

5、据。当 Modbus协议作 为应用层协议在不同的连接中会用不同的报文格式，这体现 在附加单元上。下面给由了完整的报文格式，但这只是一个 总体应用数据单元（ADU ）,不同连接中应该映射为具体报 文格式，如图2。图2 Modbus的ADU报文Modbus协议ADU在串行链路上映射为 Modbus SERIAL LINE ADU ,如图 3。图 3 Modbus SERIAL LINE 的 ADU 报文Modbus协议ADU在以太网上映射为 Modbus TCP/IP ADU ,如图4。图 4 Modbus TCP/IP 的 ADU 报文Modbus TCP/IP ADU 使用一种专用报文头来识别

6、Modbus应用数据单元，该报文头称为MBAP。1）报文头（MBAP ）格式事务处理标识符：用于事务处理配对。在响应中，Modbus服务器复制请求的事务处理标识符。事务处理标识符用于将请求和未来响应之间建立联系，对TCP连接来说同一时刻事务处理标识符是唯一的。2)功能码(FUNCTION CODE )功能码分为三类：公共功能码、用户定义功能码和保留 功能码。公共功能码：有确切定义，唯一的，公开的，由Modbus 组织确认的。用户定义功能码：用户无需Modbus组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码，不保证唯一性。保留功能码：用户可以选择使用保留，但有些传统产品 可能不支持，但具有确切的定义。

7、异常功能码：当与请求而回应的请求非正常时，功能码 为异常码。3)数据段(DATA)DATA :具体的读写数据值。3 Modbus/TCP协议功能描述Modbus组件结构包括：通信应用层(Communication Application Layer )、TCP 管理层(TCP Management Layer) 和TCP/IP协议栈。3.1 通信应用层通信应用层包括：Modbus客户机(Modbus Client )、Modbus 服务器(Modbus Server)、Modbus 客户机接口(Modbus Client Interface )> Modbus 后端接口 ( Modbus

8、Backend Interface）。Modbus客户机允许用户应用明确地控制与远程设备的 信息交换，根据用户应用向Modbus客户机接口发送的要求中所包含的参数来建立一个Modbus请求，即用户决定了建立怎样的请求。Modbus客户机接口使得用户应用能够生成各类Modbus请求，该服务包括对 Modbus应用对象的访问，即用户用来 建立请求的模板，Modbus协议没有对 Modbus客户机接口加 以定义和限制。Modbus服务器收到请求后，激活一个本地操作进行读、 写、或完成其它操作，这些操作的处理对应用程序开发人员 都是透明的。Modbus服务器的主要功能是等待来自TCP502口的Modb

9、us请求，处理这一请求然后根据设备状况生成一 个Modbus应答。Modbus后端接口是一个从 Modbus服务器到定义应用对 象的应用程序之间的接口。3.2 通信应用层在服务器设计中的作用Modbus服务器的作用是为应用对象提供访问以及为远 程客户机提供服务。应用对象的访问有两种，一是简单访问，另一个是高级访问。简单访问：获得或设定应用对象的属性；高级访问：启动一个特定的应用服务。在网关适配器中主要 考虑高级访问，因为应用对象访问网关适配器时其属性是特 定的，访问目的就是完成一定的应用服务。Modbus服务器本身可以立即处理一些服务，还可以与 被处理的用户应用进行显式交互操作；有些高级服务需

10、要调 用特定的接口即后端服务。简而言之，通信应用层就是把用户应用的计算机可以识 别的语言转换为符合 Modbus协议要求的帧格式，它是负责 管理Modbus通信的功能模块。通信应用层在断路器网关适 配器中的中心工作是把 Modbus客户机的请求和响应之间用 户应用服务实时地完成。3.3 TCP管理层TCP管理层的主要功能之一是管理通信的建立和结束， 以及管理在所建立的 TCP连接上的数据流。连接管理(Connection Management):负责全面管理报 文传输TCP连接。访问控制(ACCESS Control):在莫些重要的场合，必 须禁止无关的主机对设备内部数据的访问。TCP 层参数

11、配置(TCP Stack Parmeterization):可以调整 TCP/IP协议栈的一些参数以使得其特性适应产品或系统的 限制。3.4 IP参数配置IP参数可以选择 A、B、C类中的一类，本适配器采用C类。子网掩码用来规划子网，具类型和IP地址一致。3.5 TCP/IP协议栈TCP/IP协议栈为标准的协议栈，由操作系统来管理， 对用户来说是隐含的。3.6 MODEBUS PDU 校验Modbus PDU校验首先分析 MBAP报文头，如果协议类 型不同，则简单废弃这个指示；如果协议类型符合Modbus,则启动事务处理，如果事务处理标识符无效，服务器生成异 常响应；如果事务处理标识符有效，则

12、存储用于发送指示的 TCP连接标识符、Modbus事务处理标识符和单元标识符等 信息，分析功能码的正确与否，不正确则生成异常响应；如 果功能码正确，则启动一个 Modbus服务；如果超时则进入 超时管理并生成异常响应；无超时则正常通信。3.7 超时管理Modbus/TCP协议没有对超时时间作强制规定，因为考 虑到Modbus/TCP协议可能用于最宽范的通信场合，从豪秒 级的I/O扫描到延时几秒的远程无线链接。所以，超时时间 的具体设定应该根据现场设备状况、功能、网络拓扑结构、 服务器、客户机、用户组态等具体情况而定。随着计算机技术、通信技术、网络技术的日益发展，以 太网技术在电力、工业自动化和过程自动化领域得到了越来 越广泛的应用。目前，工业以太网开始逐渐渗透工业系统现 场总线网络之中，据业界人士预测工业以太网系统在未来 35年将成为应用的主流，为了抓住未来最大的市场，世界 各大公司对今后的电器产