什么是Modbus通訊協(xié)議？

Modbus是由Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年發(fā)明的一種工業(yè)控制總線協(xié)議，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。Modbus以其簡單、健壯、開放而且不需要特許授權(quán)的特點(diǎn)，成為通用通信協(xié)議。為了適應(yīng)以太網(wǎng)環(huán)境，Modbus被封裝在TCP包中，并且在默認(rèn)情況下通過TCP協(xié)議的502端口進(jìn)行傳輸。

基于Modbus協(xié)議的系統(tǒng)由帶智能終端的可編程邏輯控制器和計(jì)算機(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件，又包括軟件。可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。

Modbus協(xié)議采用主-從結(jié)構(gòu)，為客戶機(jī)和服務(wù)器之間提供通信連接。

Modbus協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信無關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Description Unit，PDU)，描述協(xié)議的基本功能。PDU屬于應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(Application Data Unit，ADU)的一部分，除此之外，ADU還包括附加地址域和差錯校驗(yàn)域及實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)可能是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，也可能是指令、響應(yīng)信息或報(bào)警信息等。

Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型，可以使用串口傳輸數(shù)據(jù)和指令。

Modbus協(xié)議的安全性介紹如下。

Modbus協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)時以明文方式傳輸，不進(jìn)行任何安全處理。因此，Modbus協(xié)議存在明顯的安全缺陷。攻擊者一旦進(jìn)入Modbus線路獲得數(shù)據(jù)包，就可以偽造、篡改數(shù)據(jù)包，還可以惡意篡改功能碼。

由于Modbus沒有安全認(rèn)證功能，因此攻擊者只要找到一個工業(yè)控制設(shè)備的合法地址，就可以隨意建立一個Modbus通信會話，從而造成控制混亂。由于Modbus沒有數(shù)據(jù)加密功能，因此攻擊者可以觀察到系統(tǒng)之間的控制關(guān)系和控制過程。由于Modbus缺乏授權(quán)和入侵訪問安全功能，因此任何用戶都有權(quán)執(zhí)行任意功能，為攻擊者提供了方便，同時也加大了內(nèi)部誤操作和內(nèi)部攻擊造成的危害。另外，攻擊者對功能碼的非法篡改和利用可導(dǎo)致拒絕服務(wù)攻擊等問題。Modbus協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)代碼還存在緩沖區(qū)溢出漏洞，一旦被攻擊者利用，可導(dǎo)致入侵，帶來嚴(yán)重的后果。運(yùn)行在TCP/IP之上的Modbus協(xié)議還會繼承由TCP/IP協(xié)議的安全缺陷帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

Modbus 協(xié)議是：

Modbus是由Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌)在1979年發(fā)明的一種工業(yè)控制總線協(xié)議，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。Modbus以其簡單、健壯、開放而且不需要特許授權(quán)的特點(diǎn)，成為通用通信協(xié)議。為了適應(yīng)以太網(wǎng)環(huán)境，Modbus被封裝在TCP包中，并且在默認(rèn)情況下通過TCP協(xié)議的502端口進(jìn)行傳輸。

基于Modbus協(xié)議的系統(tǒng)由帶智能終端的可編程邏輯控制器和計(jì)算機(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件，又包括軟件?？蓱?yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。

Modbus協(xié)議采用主-從結(jié)構(gòu)，為客戶機(jī)和服務(wù)器之間提供通信連接。

Modbus協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信無關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Description Unit，PDU)，描述協(xié)議的基本功能。PDU屬于應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(Application Data Unit，ADU)的一部分，除此之外，ADU還包括附加地址域和差錯校驗(yàn)域及實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)可能是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，也可能是指令、響應(yīng)信息或報(bào)警信息等。

Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型，可以使用串口傳輸數(shù)據(jù)和指令。

1、 Modbus簡介

Modbus 是由 Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌)在 1979 年發(fā)明的，是全球第一個真正 用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。

ModBus 網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過公用線路或局部專 用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。

為更好地普及和推動 Modbus 在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，目前施耐德公司已將 Modbus 協(xié)議的 所有權(quán)移交給 IDA(Interface for Distributed Automation，分布式自動化接口)組織，并成立了 Modbus-IDA 組織，為 Modbus 今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在中國，Modbus 已經(jīng)成為國家標(biāo)準(zhǔn)，并有專業(yè)的規(guī)范文檔，感興趣的可以去查閱相關(guān)的文件，詳情如下：

標(biāo)準(zhǔn)編號為：GB/T19582-2008

文件名稱：《基于 Modbus 協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》

主要有三部分的內(nèi)容，分別如下：

《GB/T 19582.1-2008 第 1 部分：Modbus 應(yīng)用協(xié)議》

《GB/T 19582.2-2008 第 2 部分：Modbus 協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)指南》

《GB/T 19582.3-2008 第 3 部分: Modbus 協(xié)議在 TCP/IP 上的實(shí)現(xiàn)指南》

2、Modbus協(xié)議概述

Modbus是一個主-從模式的通信協(xié)議，屬于數(shù)據(jù)鏈路層上的協(xié)議，協(xié)議本身不涉及具體的硬件要求。

常見的應(yīng)用Modbus協(xié)議的物理接口有RS-485、RS232、USART等的通信鏈路中。

Modbus協(xié)議中，一個時刻內(nèi)只允許有一個主機(jī)連接于總線，多個從機(jī)連接于總線上，通信都是只能由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。不能從從機(jī)主動發(fā)起通信。

3、Modbus 主從機(jī)通信模式

主機(jī)和從機(jī)之間的通信，可以用兩種模式進(jìn)行：廣播通知模式、單播點(diǎn)對點(diǎn)模式。

3.1、單播點(diǎn)對點(diǎn)模式

主機(jī)按照從機(jī)的明確地址訪問相應(yīng)的從機(jī)，從機(jī)接到來自主機(jī)的請求并處理完請求后，從機(jī)會向主機(jī)返回一個應(yīng)答，完成一個通信。

在這種模式，一個 Modbus 事務(wù)處理包含 2 個報(bào)文：一個來自主機(jī)的請求，一個來自從機(jī)的應(yīng)答。

在總線上，每個從機(jī)都必須有唯一的從機(jī)地址 (1 到 247)，這樣才能區(qū)別于其它節(jié)點(diǎn)被獨(dú)立的尋址。

3.2、廣播通知模式

主機(jī)向所總線通過廣播指令發(fā)送請求，所有的從機(jī)都要接收來自主機(jī)的廣播信息。

對于主機(jī)廣播的請求，從機(jī)是沒有應(yīng)答返回的。所有的從機(jī)必須要接受主機(jī)的廣播寫功能。

地址 0 是專門用于主機(jī)向各個從機(jī)廣播數(shù)據(jù)的。

4、Modbus 地址規(guī)則

Modbus 尋址空間可以有 256 個不同地址。如下圖所示：

地址 0 為廣播地址。所有的從機(jī)必須識別廣播地址。

Modbus 主機(jī)本身是沒有地址的，只有從機(jī)必須要有一個地址。該地址必須在 Modbus 串行總線上唯一。

248~255作為預(yù)留使用的地址。

5、Modbus 的幀格式

Modbus的幀格式按照選擇的模式不同幀格式也是有所區(qū)別的。

5.1、RTU模式

RTU 模式下的幀格式如下圖：Modbus RTU 幀總長度最大為 256 字節(jié)。

RTU 模式每個字節(jié) ( 11 位 ) 的格式為** :**

8–位二進(jìn)制，報(bào)文中每個 8 位字節(jié)含有兩個 4 位十六進(jìn)制字符(0–9， A–F)

每字節(jié)的 bit 流:

1 起始位

8 數(shù)據(jù)位， 首先發(fā)送最低有效位

1 位作為奇偶校驗(yàn)

1 停止位

偶校驗(yàn)是要求的， 其它模式 ( 奇校驗(yàn)， 無校驗(yàn) ) 也可以使用。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性， 同時支持無校驗(yàn)?zāi)Ｊ绞墙ㄗh的。默認(rèn)校驗(yàn)?zāi)Ｊ侥Ｊ? 必須為偶校驗(yàn)。

注 : 使用無校驗(yàn)要求 2 個停止位。

RTU模式時，每個字符或字節(jié)均由此順序發(fā)送(從左到右)：

最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)

MODBUS通訊協(xié)議是工業(yè)自動化領(lǐng)域中廣泛使用的一種串行通信協(xié)議。它由美國Modicon公司于1979年開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)成為工業(yè)電子設(shè)備之間通信的標(biāo)準(zhǔn)。MODBUS協(xié)議支持主從結(jié)構(gòu)，允許多個設(shè)備通過串行線纜進(jìn)行通信。根據(jù)不同的傳輸方式和數(shù)據(jù)格式，MODBUS協(xié)議可以分為多種類型。

一、MODBUS RTU(MODBUS Real-time Unit)

MODBUS RTU是MODBUS協(xié)議的一種形式，它采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信。在RTU模式下，數(shù)據(jù)幀中的每個字節(jié)之間沒有分隔符，字節(jié)之間通過停止位進(jìn)行區(qū)分。MODBUS RTU支持半雙工通信，即在一個方向上的數(shù)據(jù)傳輸完成后，需要切換到另一個方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它適用于長距離、低速率的通信場合。

二、MODBUS ASCII(MODBUS ASCII)

MODBUS ASCII是MODBUS協(xié)議的另一種形式，它采用ASCII字符格式進(jìn)行通信。在ASCII模式下，數(shù)據(jù)幀中的每個字節(jié)之間有一個分隔符，字節(jié)之間通過空格進(jìn)行區(qū)分。MODBUS ASCII支持半雙工通信，它適用于需要傳輸文本信息或者需要查看通信數(shù)據(jù)的場合。

三、MODBUS TCP/IP(MODBUS over TCP/IP)

MODBUS TCP/IP是MODBUS協(xié)議在以太網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn)，它采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。在TCP/IP模式下，MODBUS設(shè)備通過IP地址和端口號進(jìn)行標(biāo)識，主機(jī)設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)接口與MODBUS設(shè)備進(jìn)行通信。MODBUS TCP/IP支持全雙工通信，即兩個方向上的數(shù)據(jù)傳輸可以同時進(jìn)行。它適用于需要遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控的場合。

四、MODBUS串行(MODBUS Serial)

MODBUS串行是MODBUS協(xié)議的基本形式，它采用串行線纜進(jìn)行通信。在串行模式下，數(shù)據(jù)幀中的每個字節(jié)之間有一個起始位和一個停止位，字節(jié)之間通過電平的跳變進(jìn)行區(qū)分。MODBUS串行支持半雙工通信，它適用于近距離、高速率的通信場合。根據(jù)傳輸線的類型和電平的不同，MODBUS串行可以分為多種不同的物理層接口，如RS-485、RS-422、RS-232等。

五、其他類型

除了上述四種類型外，還有一些其他類型的MODBUS協(xié)議。例如，MODBUS Plus是一種適用于以太網(wǎng)的MODBUS協(xié)議，它采用令牌環(huán)方式進(jìn)行通信;MODBUS ProfiNet是一種適用于工業(yè)以太網(wǎng)的MODBUS協(xié)議，它采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信;MODBUS-IDA是一種適用于工業(yè)自動化的MODBUS協(xié)議，它支持多種不同的總線接口和數(shù)據(jù)格式。