工业以太网杂谈（一）

剑指工控 星期二, 09/27/2022 - 10:26 发表

开题我们先罗列一下国内目前常见的

想必大家都知道在以太网还在以同轴电缆作为物理传输介质的时候，很多主流工业通讯方式还是串口，包括我们熟知的Modbus RTU，Can，MPI/PPI , 3964R, MB+ , DF1等等。

今天给大家讲讲这几种工业以太网：

Modbus TCP/IP：

首先我们来看Modbus TCP/IP, 直观上看他还是Modbus协议，这个没错，Modbus TCP/IP是Modbus 协议的变体，将Modbus协议运行在了TCP/IP网络上，连接端口是502，不需要校验和计算，因为数据校验在低层进行了；

还有几种协议Modbus over TCP，Modbus over TCP/IP还有Modbus RTU/IP，这三种也是Modbus的变体，但是和Modbus TCP/IP协议最大的区别就是带有了Modbus RTU的检验和。

目前也有很多人在研究Modbus UDP/IP，这和Modbus TCP/IP最大的区别在于可以提高实时性和通信效率。因为UDP是无连接协议，比TCP节约了大量网络时间，但是可靠性和安全性不能保证。

首先，让我们通过一段报文来理解Modbus TCP/IP，从OSI七层模型物理层到应用层

图片

上图我们可以清晰看到Modbus TCP/IP使用了OSI的物理层，数据链路层，网络层，传输层以及应用层

物理层：

Frame 物理层的数据帧概况，线路307个字节，实际捕获307个字节

图片

  • 物理介质：以太网卡

  • 传输介质：双绞线，同轴电缆，光纤

  • 封装类型：Ethernet（1）

  • 物理接口：RJ45

  • 帧编号：1176

  • 帧长度：307字节

数据链路层：

Ethernet II协议，以太网帧头信息 （14个字节）

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网卡MAC地址：

  • 目的MAC：00:15:5d:07:b4:0a

  • 源MAC：a8:74:1d:c7:16:5d

  • 类型：IPv4

网络层：

IP协议 IP包头信息（20个字节）

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  • 版本：IPv4

  • 协议类型：TCP

  • 源IP地址：172.18.32.32

  • 目的IP地址：172.18.31.72

传输层：

TCP协议  数据段的头信息（20个字节）

图片

  • 源端口：502

  • 目的端口：57298

  • 序列号：4197

  • 确认号：241

  • PDU长度：253

应用层：

MBAP，Modbus 应用层的信息（253个字节）

图片

  • MBAP：（7个字节）

  • MABP 由四部分构成：

  • 事务识别号：9522

  • 协议识别号：0

  • 长度：247

  • 设备识别号：255

详细说明如下：

关于设备识别号，对于Modbus TCP/IP协议该项默认255，但是如果该协议为Modbus Plus或者Modbus RTU等串口协议，通过串口服务器等转换设备转换后变为了Modbus RTU over TCP，则该项为Modbus 串口从站的设备地址。

图片Modbus：（246个字节）

在应用层Modbus的响应报文：

  • 第一个字节：功能码

  • 第二个字节：后面的长度

  • 第三个字节：请求数据的第一个寄存器的值。上图即显示的40001-40024的值；由上图也能看出40003的当前值为38.86

综上内容一条完整modbus TCP/IP的构成如下：

后面即为Modbus TCP/IP部分信息；

Modbus TCP/IP数据结构：

Modbus TCP/IP为CS架构，Client不断的像Server发出请求，Server端被动响应提供数据或者被写入。读写的数据结构和Modbus RTU是一样的，常见的如下四种：

根据以上四种数据类型，可以引申出常见的8个功能码：

但是实际上Modbus协议的功能码远不止如下8个；比如FC20和FC21就是对文件记录的操作，其中FC20是读取文件记录，FC21是对文件进行写操作。

Modbus TCP/IP Client/Server 模型：

图片

Modbus TCP/IP工作过程：

  1. 客户端在网络上发出消息请求，将任务进行初始化

  2. 请求信息被服务端接收到

  3. 服务端发送一个响应消息

  4. 客户端确认收到服务端的响应信息

Modbus TCP/IP和Modbus RTU ADU的区别：

其中两点区别：
1、没有了CRC校验
2、从站地址（1个字节）变为了MBAP Header（七个字节）

最后给大家附上modbus错误代码

未完待续

下回给大家通过WireShark
分解西门子工业以太网

 

作 者 简 介

曹俊义

工业物联网资深构建专家

工厂智能化改造践行专家

资深工业网络通讯专家

工业自动化控制系统专家

ProSoft产品顶级技术专家

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工业通讯领域沉浸十数年，深喑各种工业通讯协议和工业网络架构以及国内外多种主流PLC应用和操作、熟知罗克韦尔、施耐德、西门子、GE等知名品牌的冗余系统，对工业无线通讯、工业物联网、工业IT与OT的融合，有着前瞻性的独到见解和务实的实践经验。

现任伟联科技董事长。努力为中国工业信息化、数字化、智能化的深入发展做出贡献。

 

 

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