【伺服】通信协议之MODBUS、主从设备、TCP/IP协议

MODBUS 是一种广泛应用于工业自动化系统的通信协议，由 Modicon 公司在 1979 年开发。它主要用于可编程逻辑控制器（PLC）、变频器、仪器仪表等设备之间的通信。MODBUS 协议因为其简单、易于实现，成为工业控制系统中最常用的协议之一。

MODBUS 的基本特性

1. 主从架构：

   • MODBUS 使用主从（Master-Slave）架构。主设备（通常是控制器或计算机）发出请求，从设备（如传感器、驱动器）回应请求。
   • 一个主设备可以控制多个从设备。

2. 传输模式：
   MODBUS 支持多种传输模式，最常见的有：

   • MODBUS RTU（Remote Terminal Unit）：采用二进制格式，具有高效的通信数据量和较低的传输开销，通常通过串行通信（RS-232 或 RS-485）传输。
   • MODBUS ASCII：使用 ASCII 编码传输数据，适合需要更长距离传输的场景，但效率较 RTU 模式低。
   • MODBUS TCP/IP：将 MODBUS 协议封装在 TCP/IP 协议中，通过以太网进行通信。它用于现代工业系统中，以便将数据传输到更远的网络中。

3. 数据模型：

   • MODBUS 定义了一系列寄存器用于存储和交换数据：
     • 线圈（Coils）：用于存储单个位的开关量。
     • 离散输入（Discrete Inputs）：只读的开关量输入。
     • 保持寄存器（Holding Registers）：用于存储 16 位的可读写数据。 [常见]
     • 输入寄存器（Input Registers）：只读的 16 位数据。 [常见]

4. 功能码（Function Codes）：
   功能码是 MODBUS 协议中用于定义操作的核心部分。常见的功能码包括：

   • 0x01：读取线圈状态
   • 0x03：读取保持寄存器
   • 0x05：写单个线圈
   • 0x06：写单个保持寄存器
   • 0x0F：写多个线圈
   • 0x10：写多个保持寄存器

工作原理

在 MODBUS 通信中，主设备会发送带有功能码的请求到从设备，包含查询的类型、寄存器地址、要读取或写入的数据长度等信息。从设备接收该请求后执行相应操作，并将结果返回给主设备。传输的数据可以是位（Coils 和 Discrete Inputs）或字（Registers）。

应用场景

MODBUS 广泛应用于各种工业场景中，如：

• 工厂自动化
• 能源管理系统
• 楼宇控制系统
• 数据采集系统（SCADA）

由于 MODBUS 的简单性和开放性，它被许多设备厂商采用，也被用作设备互联的标准协议。它可以跨设备厂商，方便集成不同品牌和类型的设备。

优点

• 简单易用：协议结构简单，易于实现和调试。
• 兼容性好：广泛的工业设备支持 MODBUS，设备之间的通信容易实现。
• 开放标准：MODBUS 是开放的协议，开发人员无需许可证即可实现。

缺点

• 安全性：MODBUS 缺乏内置的加密和安全机制，通信数据可能被截获或篡改。
• 速度限制：在 RTU 模式下，通信速度有限，尤其是在使用 RS-232 时。
• 无标准化的数据模型：虽然寄存器定义简单，但不同厂商在实现上可能存在不一致性。

小结

MODBUS 作为一种经典的工业通信协议，具有广泛的应用。它结构简单，支持各种传输模式，使得设备间的数据通信高效便捷。不过，在现代网络安全需求下，它的安全性问题需要通过额外的措施加以解决，例如通过 VPN 或 TLS 加密来保护通信。

主从设备

主从架构（Master-Slave Architecture） 是一种经典的计算和通信架构，主要用于分布式系统中。其核心思想是将系统中的角色分为主设备（Master）和从设备（Slave），由主设备发起指令和控制，从设备则负责执行和响应。

主从架构的工作原理

1. 主设备（Master）：主设备是整个系统的控制中心。它负责发送命令、管理数据流以及协调从设备的工作。主设备通常会向从设备发出操作请求，例如读取或写入数据、启动或停止某些功能等。

2. 从设备（Slave）：从设备仅在接收到主设备的命令时才进行响应。它被动地执行主设备的请求，例如提供数据或执行某项操作。从设备通常不能主动与主设备通信，只能在接收到指令后作出回应。

主从架构的特点

• 集中控制：主设备对整个系统有绝对的控制权，管理所有从设备的行为。
• 简单易实现：从设备只需要处理主设备的指令，逻辑简单，易于实现。
• 可扩展性：主设备可以控制多个从设备，扩展系统时只需添加更多的从设备。

主从架构的应用

• 工业通信协议：如 MODBUS 协议，主设备可以是中央控制系统，而从设备是现场的传感器、执行器等。
• 数据库复制：在数据库系统中，主数据库负责处理写请求和协调操作，而从数据库用于读取请求，实现负载分担。
• 多线程编程：在某些多线程架构中，主线程负责调度和分配任务，从线程负责处理分配到的任务。

优缺点

• 优点：

  • 结构清晰，容易理解和实现。
  • 主设备可以完全控制系统行为。

• 缺点：

  • 单点故障：如果主设备故障，整个系统可能无法正常工作。
  • 扩展性受限：随着从设备数量增加，主设备的性能可能成为瓶颈。

举例

在工业控制系统中，主设备可以是中央控制器，它根据系统状态发送指令，控制从设备（如传感器、机器臂等）执行任务；在数据库系统中，主数据库负责写操作，而多个从数据库负责读取，以分担负载。

主从架构广泛应用于各种通信和分布式计算系统中，是一种高效且简单的设计模式。

TCP/IP协议

TCP/IP协议是现代网络通信的基础，它是一组允许计算设备在网络上相互通信的协议集。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议）定义了如何将数据分解成包、如何通过网络发送这些包以及如何重新组装和确认这些包。

TCP/IP协议的四层模型

TCP/IP协议由四个层次组成，每层负责不同的任务：

1. 应用层：

   • 为应用程序提供通信接口，常见协议包括HTTP（用于网页浏览）、FTP（文件传输协议）和SMTP（邮件传输协议）。

2. 传输层：

   • 负责在网络之间建立、管理和终止端到端通信。最常用的传输层协议是：
     • TCP（传输控制协议）：提供面向连接的、可靠的数据传输，确保数据包按序到达，并且没有丢失。
     • UDP（用户数据报协议）：提供无连接的、不保证可靠性的传输，适用于对实时性要求高的应用（如视频流或语音通信）。

3. 网络层（IP层）：

   • 负责逻辑寻址和路由选择，确定数据包通过网络从源地址到达目的地址的最佳路径。IP协议在这一层工作，最常见的版本是IPv4和IPv6。

4. 数据链路层：

   • 负责物理网络设备之间的数据传输。它处理将数据封装到帧中，并控制如何在物理介质上传输帧。常见协议包括以太网（Ethernet）和Wi-Fi。

关键协议

1. TCP（Transmission Control Protocol）：

   • 面向连接：在发送数据前建立连接（握手过程），并确保数据完整、按序到达。
   • 错误检测：使用校验和和确认机制检测和重传丢失的包。

2. IP（Internet Protocol）：

   • 路由与寻址：IP协议负责将数据包从源地址发送到目的地址，每个设备通过IP地址来识别。
   • 无连接：IP本身不提供数据传输的可靠性保障。

TCP/IP 的工作流程

1. 数据分割与封装：应用层生成数据，通过传输层分割成数据包，并封装TCP或UDP头部。
2. 路由与传输：网络层为数据包添加IP头，定义源地址和目标地址，通过路由器将数据包传递到目标网络。
3. 数据链路层传输：数据链路层通过物理网络（如以太网或Wi-Fi）实际传输数据包。
4. 接收与重组：目标设备接收数据包，传输层根据TCP协议进行包的重组、检查和确认。

TCP/IP 的优势

• 跨平台：TCP/IP 是一种开放标准，能在各种操作系统和硬件平台上运行。
• 高效的网络传输：TCP 提供可靠的数据传输，而UDP可以快速发送实时数据。
• 可扩展性：能够随着互联网的规模扩展，支持全球范围的通信。

小结

TCP/IP协议是支撑互联网和局域网通信的核心，它定义了数据如何从一台设备传输到另一台设备，是我们日常使用的几乎所有网络服务（如网页浏览、电子邮件、视频通话等）的基础。