Day40-45 网络高级(modbus)

文章目录

Modbus起源
- 1.起源：
- 2.分类：
- 3.优势：
- 4.应用场景：
- 5.ModbusTCP特点：
Modbus TCP协议格式
- 1.报文头
- 2.寄存器
- 3.功能码
工具软件使用
- .Modbus Slave&Poll
- 2.网络调试助手
- .Wireshark的使用
Modbus RTU
- 1、与Modbus TCP的区别
- 2、Modbus RTU特点
- 3.ModbusRTU协议格式：
- 4.报文详解：
- 5.模拟器的使用
- - 一、虚拟串口的安装
  - 二、虚拟机绑定端口
  - 三、测试通信
  - 四、将Modbus Slave模拟器作为RTU设备的从机
Modbus库
- 【1】库的安装
- - 1.库的安装配置
  - 2.库的使用
- 【2】函数接口
- 【3】编程流程
基于Modbus的工业数据采集项目
- 1.Http简介
- 2.Http特点
- 3.Http协议格式
- - 客户端请求消息格式
  - - a. 请求行：
    - b. 请求头：
    - c. 空行
    - d. 请求体
WebServer
- 1.服务器源码分析：
- 2.安装使用postman
- 3.结合Modbus部分整体流程分析

Modbus起源

1.起源：

Modbus由Modicon公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。
Modbus通信协议具有多个变种，其中有支持串口，以太网多个版本，其中最著名的是Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP三种
其中Modbus TCP是在施耐德收购Modicon后1997年发布的。

2.分类：

1)Modbus RTU:
运行在串口上的协议，采用二进制表现形式以及紧凑型数据结构，通信效率高，应用广泛
2)Modbus ASCII:
运行在串口上的协议，采用ASCII码传输，并且利用特殊字符作为其字节的开始与结束标识，其传输效率要远远低于Modbus RTU协议，一般只有在通信数据量较小的情况下才考虑使用Modbus ASCII通信协议
3)Modbus TCP:
运行在以太网上的协议

3.优势：

 免费、简单、容易使用

4.应用场景：

Modbus协议是现在国内工业领域应用最多的协议，不只PLC设备，各种终端设备，比如水控机、水表、电表、工业秤、各种采集设备

5.ModbusTCP特点：

1.采用主从问答方式进行通信
2.ModbusTCP是应用层协议，基于传输层TCP进行传输的
3.ModbusTCP端口号默认为502

Modbus TCP协议格式

ModbusTcp协议包含三部分：报文头、功能码、数据
在这里插入图片描述

Modbus TCP/IP协议最大数据帧长度为260字节

1.报文头

包含7个字节，分别是：
在这里插入图片描述

2.寄存器

包含四种：离散量输入、线圈、输入寄存器、保持寄存器
1）离散量和线圈其实就是位寄存器（每个寄存器数据占1字节），工业上主要用于控制IO设备。
线圈寄存器，类比为开关量，每一个bit都对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。比如控制外部8路io的高低。线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。
对应上面的功能码也就是：0x01 0x05 0x0f
离散输入寄存器，离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式，他也是每个bit表示一个开关量，而他的开关量只能读取输入的开关信号，是不能够写的。比如我读取外部按键的按下还是松开。
所以功能码也简单就一个读的 0x02
2）输入和保持寄存器是字寄存器（每个寄存器数据占2个字节），工业上主要用于存储工业设备的值。
保持寄存器，这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte，也就是可以存放具体的数据量的，并且是可读写的。比如我我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写
所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10
输入寄存器，这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值
对应的功能码也就一个 0x04

3.功能码

在这里插入图片描述
具体协议分析可参考：
http://www.360doc.com/content/20/0804/12/43769266_928452485.shtml

读数据：
主机->从机：报文头（7） + 功能码（1） + 起始地址（2）+ 数量（2）
从机->主机：报文头（7） + 功能码（1） + 字节计数（1）+ 数据（？）

写单个：
主机->从机：报文头（7） + 功能码（1） + 地址（2）+ 数据/断通标志（2）

写多个：
主机->从机：报文头（7） + 功能码（1） + 起始地址（2）+ 数量（2）+字节计数（1）+数据（？）

工具软件使用

.Modbus Slave&Poll

1）软件默认安装
2）破解
点击connection->connect，输入序列号即可
3）使用
先设置
在这里插入图片描述
后连接（连接时注意先开启slave端(相当于服务器)，后起poll端(相当于客户端)）
查询windows IP：

win r 输入cmd
输入 ipconfig

2.网络调试助手

在这里插入图片描述

.Wireshark的使用

捕获器选择：
windows如果连接有线网络，选择本地连接/以太网
如果连接无线网络，选择WLAN
如果只是在本机上的通信，选择NPCAP Loopback apdater
或Adapter for loopback traffic capture
过滤条件：
过滤端口：tcp.port==502
过滤IP：ip.addr == 192.168.3.11(windows 的ip)
在这里插入图片描述

Modbus RTU

1、与Modbus TCP的区别

在一般工业场景使用modbus RTU的场景还是更多一些，modbus RTU基于串行协议进行收发数据，包括RS232/485等工业总线协议。
与modbus TCP不同的是RTU没有报文头MBAP字段，但是在尾部增加了两个CRC检验字节（CRC16），因为网络协议中自带校验，所以在TCP协议中不需要使用CRC校验码。
RTU和TCP的总体使用方法基本一致，只是在创建modbus对象时有所不同，TCP需要传入网络socket信息；而RTU需要传入串口相关信息。

2、Modbus RTU特点

ModbusRTU也是主从问答协议，由主机发起，一问一答
设置串口参数：
设置串口参数时要求：
波特率为9600
8位数据位
1位停止位
无流控

3.ModbusRTU协议格式：

ModbusRTU协议数据帧包含四部分：地址码、功能码、数据、校验码
地址码：从机ID 1-247
功能码：同ModbusTCP协议
数据：起始地址、数量、数据
校验码：2字节，对地址码、功能码、数据部分进行校验，调用函数自动生成

4.报文详解：

03功能码：
主机->从机： 01 03 00 00 00 01 84 0A
01：从机ID
03：功能码
00 00：起始地址
00 01：数量
84 0A：校验码

从机->主机：01 03 02 00 14 b8 44
1.01：从机ID
03：功能码
02: 字节计数
00 14:数据
b8 44 :校验码

参考示例：
https://blog.csdn.net/qq153471503/article/details/124317894

5.模拟器的使用

由于实际硬件产品成本较高，我们这里可以使用Modbus软件模拟器，进行数据模拟从而分析Modbus协议。
使用工具：

ModbusPoll（模拟主机）和ModbusSlave（模拟从机）
vspd虚拟串口
UartAssist串口调试工具
设置串口参数要求：波特率为9600 8位数据位 1位停止位无流控无校验
虚拟串口的使用：

一、虚拟串口的安装

1.将压缩包解压后，双击vspd.exe文件进行安装
在这里插入图片描述
2.安装完成后，找到安装目录，将Cracked下的文件复制到软件安装目录

3.打开软件，添加com1和com2端口（用完记得删除端口）
4.添加完端口后，打开设备管理器，这里出现如下图所示即可。

在这里插入图片描述

二、虚拟机绑定端口

将虚拟机在系统关机（必须是关机状态，挂起不行）状态下，点击虚拟机->设置->硬件->添加串行端口，添加COM1
2.添加完成后，第一次使用需要将电脑重启
3.重启之后，开启虚拟机，点击虚拟机->可移动设备->串行端口->连接
4.当连接上虚拟串口后，在终端输入dmesg | grep tty，可以查看到对应的设备文件，其中默认的会有ttyS0文件，剩下的就是虚拟串口对应的设备文件

三、测试通信

1.Windows打开串口调试工具，选择好串口COM2->COM1,设置对应的波特率
在这里插入图片描述
2.在虚拟机运行minicom
在虚拟机安装minicom软件
sudo apt-get install minicom
在终端执行sudo minicom -s
1）选择serial port setup，回车
2）设置设备文件，波特率，关闭流控，按如下图设置（文件改成自己的）

在这里插入图片描述
3）修改完成后，回车，保存修改，选择save setup as dfl，敲回车，再次选择exit回车
4）退出后就可以和windows下的串口调试工具进行通信测试
5）也可以在这个界面输入字符，查看串口助手的显示情况。

在这里插入图片描述
6）退出：ctrl+A、Z，在弹出的界面里输入X 回车，即可退出。

四、将Modbus Slave模拟器作为RTU设备的从机

虚拟机绑定COM1端口，slave连接COM2端口，虚拟机通过编程测试串口通信
Modbus Slave端的配置如下：
在这里插入图片描述

Modbus库

【1】库的安装

1.库的安装配置

1.在linux中解压压缩包
tar -xvf libmodbus-3.1.7.tar.gz
2.进入源码目录，创建文件夹(存放头文件、库文件)
cd libmodbus-3.1.7
mkdir install
3.执行脚本configure，进行安装配置（指定安装目录）
./configure --prefix=$PWD/install
4.执行make和make install
make//编译
make install//安装
执行完成后会在install文件夹下生产对应的头文件、库文件件夹。install用于存放产生的头文件、库文件等

2.库的使用

要想编译方便，可以将头文件和库文件放到系统路径下
sudo cp install/include/modbus/.h /usr/include
sudo cp install/lib/ -r /lib -d
后期编译时，可以直接gcc xx.c -lmodbus
头文件默认搜索路径：/usr/include 、/usr/local/include
库文件默认搜索路径：/lib、/usr/lib

【2】函数接口

modbus_t*   modbus_new_tcp(const char *ip, int port)
功能：以TCP方式创建Modbus实例，并初始化
参数：ip   ：ip地址port：端口号
返回值：成功：Modbus实例失败：NULL
int modbus_set_slave(modbus_t *ctx, int slave)
功能：设置从机ID
参数：ctx   ：Modbus实例slave：从机ID
返回值：成功：0失败：-1
int   modbus_connect(modbus_t *ctx)
功能：和从机（slave）建立连接
参数：ctx：Modbus实例
返回值：成功：0失败：-1
void   modbus_free(modbus_t *ctx)
功能：释放Modbus实例
参数：ctx：Modbus实例
void   modbus_close(modbus_t *ctx)
功能：关闭套接字
参数：ctx：Modbus实例
int modbus_read_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
功能：读取线圈状态，可读取多个连续线圈的状态（对应功能码为0x01）
参数：ctx   ：Modbus实例addr ：寄存器起始地址nb    ：寄存器个数dest ：得到的状态值
int  modbus_read_input_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint8_t *dest)
功能：读取输入状态，可读取多个连续输入的状态（对应功能码为0x02）
参数：ctx   ：Modbus实例addr ：寄存器起始地址nb   ：寄存器个数dest ：得到的状态值
返回值：成功：返回nb的值
int  modbus_read_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
功能：读取保持寄存器的值，可读取多个连续保持寄存器的值（对应功能码为0x03）
参数：ctx   ：Modbus实例addr ：寄存器起始地址nb    ：寄存器个数dest ：得到的寄存器的值
返回值：成功：读到寄存器的个数失败：-1
int   modbus_read_input_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, uint16_t *dest)
功能：读输入寄存器的值，可读取多个连续输入寄存器的值（对应功能码为0x04）
参数：ctx   ：Modbus实例addr ：寄存器起始地址nb    ：寄存器个数dest ：得到的寄存器的值
返回值：成功：读到寄存器的个数失败：-1
int  modbus_write_bit(modbus_t *ctx, int addr, int status);
功能：写入单个线圈的状态（对应功能码为0x05）
参数：ctx     ：Modbus实例addr  ：线圈地址status：线圈状态
返回值：成功：0失败：-1
int  modbus_write_bits(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint8_t *src);
功能：写入多个连续线圈的状态（对应功能码为15）
参数：ctx     ：Modbus实例addr  ：线圈地址nb     ：线圈个数src    ：多个线圈状态
返回值：成功：0失败：-1
int  modbus_write_register(modbus_t *ctx, int addr, int value);
功能：  写入单个寄存器（对应功能码为0x06）
参数： ctx    ：Modbus实例addr  ：寄存器地址value ：寄存器的值 
返回值：成功：0失败：-1
int  modbus_write_registers(modbus_t *ctx, int addr, int nb, const uint16_t *src);
功能：写入多个连续寄存器（对应功能码为16）
参数：ctx    ：Modbus实例addr  ：寄存器地址nb     ：寄存器的个数src    ：多个寄存器的值 
返回值：成功：0失败：-1

【3】编程流程

1.创建实例
modbus_new_tcp
2.设置从机ID
modbus_set_slave
3.连接
modbus_connect
4.读写操作
调用功能码对应函数
5.关闭套接字
modbus_close
6.释放示例
modbus_free

基于Modbus的工业数据采集项目

1.Http简介

HTTP协议是Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写，是用于Web Browser（浏览器）到Web Server（服务器）进行数据交互的传输协议。
HTTP是应用层协议
HTTP是一个基于TCP通信协议传输来传递数据（HTML 文件, 图片文件, 查询结果等）
HTTP协议工作于B/S架构上，浏览器作为HTTP客户端通过URL主动向HTTP服务端即WEB服务器发送所有请求，Web服务器根据接收到的请求后，向客户端发送响应信息。
HTTP默认端口号为80，但是你也可以改为8080或者其他端口

2.Http特点

HTTP是无连接：无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
HTTP是媒体独立的：这意味着，只要客户端和服务器知道如何处理的数据内容，任何类型的数据都可以通过HTTP发送。客户端以及服务器指定使用适合的MIME-type内容类型。
HTTP是无状态：HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。

3.Http协议格式

客户端请求消息格式

客户端发送一个HTTP请求到服务器的请求消息包括以下格式：请求行、请求头部、空行和请求数据四个部分组成，下图给出了请求报文的一般格式。
在这里插入图片描述

a. 请求行：

请求行是由请求方法字段、url字段、http协议版本字段3个部分组成。请求行定义了本次请求的方式，格式如下：GET /example.html HTTP/1.1(CRLF)。

http的请求方式：
http协议中共定义了八种数据的请求方法。分别是：OPTIONS、HEAD、GET、POST、PUT、DELETE、TRACE、CONNECT；我们在实际应用中常用的也就是 get 和 post，其他请求方式也都可以通过这两种方式间接的来实现。
（增POST 删DELETE 改PUT 查GET）
GET方法和POST方法的区别？
GET通常用来从服务器上获得数据，而非修改信息；POST用来向服务器传递数据。
1.请求数据带参数，；GET请求的数据会附加在URL之后，以?分割URL和传输数据，多个参数用&连接。POST请求会把请求的数据放置在HTTP请求包的包体中。
因此，GET请求的数据会暴露在地址栏中，而POST请求则不会。
2.传输数据的大小；在HTTP规范中，没有对URL的长度和传输的数据大小进行限制。但是在实际开发过程中，对于GET，特定的浏览器和服务器对URL的长度有限制。因此，在使用GET请求时，传输数据会受到URL长度的限制。对于POST，由于不是URL传值，理论上是不会受限制的，但是实际上各个服务器会规定对POST提交数据大小进行限制，Apache、IIS都有各自的配置
3.GET请求返回的内容可以被浏览器缓存起来。而每次提交的POST，浏览器在你按下F5的时候会跳出确认框，浏览器不会缓存POST请求返回的内容
4.GET对数据进行查询，POST主要对数据进行增删改！简单说，GET是只读，POST是写
5.对于参数的数据类型，get只接受ASCII字符，而post没有限制。

b. 请求头：

也被称作消息报头,请求头是由一些键值对组成，每行一对，关键字和值用英文冒号“:”分隔。允许客户端向服务器发送一些附加信息或者客户端自身的信息，典型的请求头如下:
Accept：作用：描述客户端希望接收的响应body 数据类型；示例：Accept:text/html
Accept-Charset：作用：浏览器可以接受的字符编码集；示例：Accept-Charset:utf-8
Accept-Language：作用：浏览器可接受的语言；示例：Accept-Language:en
Connection：作用：表示是否需要持久连接，注意HTTP1.1默认进行持久连接；示例：Connection:close
Content-Length：作用：请求的内容长度：示例：Content-Length:348
Content-Type：作用：描述客户端发送的 body 数据类型

c. 空行

最后一个请求头之后是一个空行，发送回车符和换行符，通知服务器以下不再有请求头。

d. 请求体

请求数据：请求数据不在GET方法中使用，而是在POST方法中使用。POST方法适用于需要客户填写表单的场合。与请求数据相关的最常使用的请求头是Content-Type和Content-Length。

WebServer

简单TCP服务器示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024void handle_request(int client_socket) {char buffer[BUFFER_SIZE];char response[] = "HTTP/1.1 200 OK\nContent-Type: text/html\n\n<html><body><h1>Hello, World!</h1></body></html>";// 从客户端读取请求ssize_t bytes_read = read(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE - 1);if (bytes_read == -1) {perror("读取请求失败");return;}buffer[bytes_read] = '\0';// 打印请求内容printf("收到请求:\n%s\n", buffer);// 发送响应给客户端ssize_t bytes_written = write(client_socket, response, strlen(response));if (bytes_written == -1) {perror("发送响应失败");}
}int main() {int server_socket, client_socket;struct sockaddr_in server_address, client_address;socklen_t client_address_len;//创建套接字if ((server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {perror("创建套接字失败");exit(1);}//设置地址重用int reuse = 1;if (setsockopt(server_socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {perror("设置地址重用失败");exit(1);}//初始化绑定地址server_address.sin_family = AF_INET;server_address.sin_port = htons(PORT);server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) == -1) {perror("绑定地址失败");exit(1);}//启动监听if (listen(server_socket, 10) == -1) {perror("启动监听失败");exit(1);}printf("服务器已启动，监听端口 %d\n", PORT);// 接受连接并处理请求while (1) {client_address_len = sizeof(client_address);if ((client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_address, &client_address_len)) == -1) {perror("接受连接失败");continue;}printf("接受新连接\n");// 处理请求handle_request(client_socket);// 关闭客户端套接字close(client_socket);printf("连接已关闭\n");}// 关闭服务器套接字close(server_socket);return 0;
}

1.服务器源码分析：

1.初始化服务器
2.循环等等待连接，连接后创建线程，调用线程函数msg_request，再函数中调用
handler_msg函数分析请求
3.handler_msg函数中，先查看请求内容，其次获取请求方法、URL、参数，判断请求方法是什么，对need_handler赋值，确定请求资源路径，如果请求地址没有携带任何资源，则默认返回index.html文件，如果资源不存在，返回404，如果需要处理（get请求带参数，post请求）调用handle_request函数，如果不需要（get请求不带参数且资源存在），调用echo_www函数，直接返回资源
4.handle_request函数主要用来获取post请求正文数据，调用parse_and_process函数处理正文内容（需要自己额外添加函数）