网络高级（学习）2024.9.10

目录

一、Modbus简介

1.起源

2.特点

3.应用场景

二、Modbus TCP协议

1.特点

2.协议格式

3.MBAP报文头

4.功能码

5.寄存器

（1）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。

（2）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，每个bit表示一个开关量，而开关量只能读取输入的开关信号，不能写的。

（3）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。

（4）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。

三、工具软件

1.modbus软件

Modbus slave端

Modbus poll端

2.wireshark软件

过滤器选择

过滤条件

3.网络调试助手

四、代码编程

1.读取保持寄存器中的数值（功能号03），起始地址40001，寄存器个数1个

2.编程实现主机功能，写入单个线圈状态（功能号05）

一、Modbus简介

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、Modbus TCP三种

2.特点

免费、简单、容易使用

3.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。

二、Modbus TCP协议

1.特点

(1)Modbus TCP采用主从问答方式(master/slave)通信，有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点（可以多个），每一个slave设备都有一个唯一的地址 
(2)Modbus TCP是基于TCP实现的应用层协议
(3)默认端口号为502

2.协议格式

3.MBAP报文头

Modbus TCP协议包含一个7字节报文头

事务处理标识符：2字节，报文的序列号

协议标识符：2字节，0000表示Modbus TCP协议

长度：2字节，字节长度

单元标识符：1字节，从机地址

4.功能码

根据四种不同的寄存器设置了8种功能码，根据实际需要设置不同的功能码
在协议中，功能码占1个字节

功能码作用寄存器PLC地址位操作/字操作操作数量
01读线圈状态00001-09999位操作单个或多个
02读离散输入状态10001-19999位操作单个或多个
03读保持寄存器40001-49999字操作单个或多个
04读输入寄存器30001-39999字操作单个或多个
05写单个线圈00001-09999位操作单个
06写单个保持寄存器40001-49999字操作单个
15写多个线圈00001-09999位操作多个
16写多个保持寄存器40001-49999字操作多个

5.寄存器

Modbus TCP通过寄存器的方式存储数据。

一共有四种类型的寄存器，分别是：离散量输入、线圈、输入寄存器、保持寄存器。

离散量和线圈其实就是位寄存器（每个寄存器数据占1个字节），工业上主要用于控制IO设备。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。

（1）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。
功能码：0x01   0x05    0x0f

（2）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，每个bit表示一个开关量，而开关量只能读取输入的开关信号，不能写的。

比如读取外部按键是按下还是松开。
功能码：0x02

（3）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
功能码：0x03    0x06    0x10

（4）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
功能码：0x04

三、工具软件

1.modbus软件

Modbus slave端

此端是从机，相当于服务器，需要先运行
        设置：setup->设置从机ID、指定寄存器、起始地址、个数
        连接：connection->connect，设置ip和端口号，进行连接

Modbus poll端

此端是主机，相当于客户端
        设置：setup->设置从机ID、功能码、起始地址、个数   
        连接：connection->connect，设置ip和端口号，进行连接

2.wireshark软件

过滤器选择

如果是在windows下本地测试选择Loopback adapter
如果数据经过路由器，选择WLAN

过滤条件

过滤ip：ip.addr == ip地址
过滤端口号：tcp.port == 端口号
过滤协议类型：协议类型名 
注：每个条件通过&&连接，最后敲回车生效

3.网络调试助手

四、代码编程

1.读取保持寄存器中的数值（功能号03），起始地址40001，寄存器个数1个

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){perror("sockfd 失败");return -1;}struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(502);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.121");socklen_t addrlen = sizeof(saddr);if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, addrlen) < 0){perror("connect失败\n");return -1;}printf("connect　成功\n");#define N 32uint8_t buf[N] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01};uint8_t buf1[N];unsigned int n;send(sockfd, buf, N, 0);sleep(1);int ret = recv(sockfd, buf1, N, 0);if (ret < 0){perror("recv失败");return -1;}else if (ret == 0){printf("连接关闭\n");return 0;}else{for (int i = 0; i < ret; i++){printf("0x%X ", buf1[i]);}printf("\n");}close(sockfd);return 0;
}

封装成函数：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>#define N 32int sockfd;void read_hold_register(int socket, uint8_t addr, uint8_t fun, uint16_t addra, uint16_t count)
{uint8_t buf[N] = {0};buf[0] = 0x00; // 事务处理标识符（高位）buf[1] = 0x00; // 事务处理标识符（低位）buf[2] = 0x00; // 协议标识符（高位）buf[3] = 0x00; // 协议标识符（低位）buf[4] = 0x00;buf[5] = 0x06;            // 字节长度buf[6] = addr;            // 从机地址buf[7] = fun;             // 功能码buf[8] = addra >> 8;      // 寄存器起始地址(高位)buf[9] = addra & 0x00ff;  // 寄存器起始地址(低位)buf[10] = count >> 8;     // 寄存器数量(高位)buf[11] = count & 0x00ff; // 寄存器数量(低位)send(socket, buf, N, 0); // 发送请求memset(buf, 0, N);                 // 清空缓冲区int ret = recv(socket, buf, N, 0); // 接收响应if (ret < 0){perror("recv失败");return;}else if (ret == 0){printf("连接关闭\n");return;}else{for (int i = 0; i < ret; i++){printf("0x%X ", buf[i]);}printf("\n");}
}int main(int argc, char const *argv[])
{sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket 失败");return -1;}struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(502);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.121");socklen_t addrlen = sizeof(saddr);if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, addrlen) < 0){perror("connect 失败");close(sockfd);return -1;}printf("connect 成功\n");uint8_t fun, addr;uint16_t addra, count;printf("请输入功能码(格式0x01)：");scanf(" %hhx", &fun);printf("请输入从机地址(格式0x01)：");scanf(" %hhx", &addr);printf("请输入起始地址(格式0x0001)：");scanf(" %hx", &addra);printf("请输入寄存器数量(格式0x0001)：");scanf(" %hx", &count);read_hold_register(sockfd, addr, fun, addra, count);close(sockfd);return 0;
}

2.编程实现主机功能，写入单个线圈状态（功能号05）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){perror("sockfd 失败");return -1;}struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(502);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.121");socklen_t addrlen = sizeof(saddr);if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, addrlen) < 0){perror("connect失败\n");return -1;}printf("connect　成功\n");#define N 32uint8_t buf[N] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x06, 0x01, 0x05, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x00};uint8_t buf1[N];unsigned int n;send(sockfd, buf, N, 0);sleep(1);int ret = recv(sockfd, buf1, N, 0);if (ret < 0){perror("recv失败");return -1;}else if (ret == 0){printf("连接关闭\n");return 0;}else{for (int i = 0; i < ret; i++){printf("0x%X ", buf1[i]);}printf("\n");}close(sockfd);return 0;
}

 封装成函数：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>#define N 32int sockfd;void read_hold_register(int socket, uint8_t addr, uint8_t fun, uint16_t addra, uint16_t count)
{uint8_t buf[N] = {0};buf[0] = 0x00; // 事务处理标识符（高位）buf[1] = 0x00; // 事务处理标识符（低位）buf[2] = 0x00; // 协议标识符（高位）buf[3] = 0x00; // 协议标识符（低位）buf[4] = 0x00;buf[5] = 0x06;            // 字节长度buf[6] = addr;            // 从机地址buf[7] = fun;             // 功能码buf[8] = addra >> 8;      // 线圈地址(高位)buf[9] = addra & 0x00ff;  // 线圈地址(低位)buf[10] = count >> 8;     // 断通标志(高位)buf[11] = count & 0x00ff; // 断通标志(低位)send(socket, buf, 12, 0); // 发送请求memset(buf, 0, N);                 // 清空缓冲区int ret = recv(socket, buf, N, 0); // 接收响应if (ret < 0){perror("recv失败");return;}else if (ret == 0){printf("连接关闭\n");return;}else{for (int i = 0; i < ret; i++){printf("0x%X ", buf[i]);}printf("\n");}
}int main(int argc, char const *argv[])
{sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket 失败");return -1;}struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(502);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.121");socklen_t addrlen = sizeof(saddr);if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, addrlen) < 0){perror("connect 失败");close(sockfd);return -1;}printf("connect 成功\n");uint8_t fun, addr;uint16_t addra, count;printf("请输入功能码(格式0x01)：");scanf(" %hhx", &fun);printf("请输入从机地址(格式0x01)：");scanf(" %hhx", &addr);printf("请输入线圈地址(格式0x0001)：");scanf(" %hx", &addra);printf("请输入断通标志(格式0x0001)：");scanf(" %hx", &count);read_hold_register(sockfd, addr, fun, addra, count);close(sockfd);return 0;
}

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