网络编程之Modbus与HTTP

Modbus

一、基础概念

1.  起源

● Modbus由Modicon公司于1979年开发，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议

● 在中国，Modbus 已经成为国家标准，并有专业的规范文档，感兴趣的可以去查阅相关的文件，详情如下：标准编号为:GB/T19582-2008文件名称:《基于 Modbus 协议的工业自动化网络规范》

● 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的数据结构，通信效率较高，应用比较广泛

2）Modbus ASCII

运行在串口上的协议，采用ASCII码进行传输，并且每个字节的开始和结束都有特殊字符作为标志，传输效率远远低于Modbus RTU，一般只有通讯量比较少时才会考虑它。

3）Modbus TCP

是一种基于以太网的协议，使用 TCP/IP 协议栈进行通信。它使用以太网帧作为数据传输的封装，通过 IP 地址和端口号来标识设备。

3.  优势

简单、免费、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

 二、Modbus TCP

1.特点

1.  遵循主从问答协议 （主机 从机 主从问答：采集信息 、控制）

             （主机问---从机答247      1-247：从机       0：广播      248-255：保留 ） 

2.  Modbus TCP协议是应用层协议，基于传输层TCP通信

3.  Modbus TCP的默认端口号是502

2.组成

Modbus TCP协议包含：报文头、功能码、数据

报文头有7个字节，功能码有1个字节，Modbus TCP协议最大数据帧长度为260个字节，数据最多为252个字节。

2.1报文头（7字节）

事务处理标识符：数据包的标识，一般无限制，主机发啥，从机回啥

协议标识符：0x0000 

长度：接下来的字节长度，字段值注意使用十六进制

                                      

单元标识符：从机ID

补充：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。

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

2.2常用功能码 

寄存器PLC地址和寄存器的对应关系：

线圈（可读可写）： 00001-09999    读： 01  写单个： 05    写多个： 0f

离散量输入（只读）：10001-19999    读：02    

保持寄存器（可读可写）：40001-49999   读：03   写单个：06  写多个：10

输入寄存器（只读）：30001-39999 0   读： 04

例：

总结：

读数据：

主机-->从机

线圈、离散输入：报文头 + 功能码 + 起始地址（2）+要读取的线圈数量（2）

保持寄存器、输入寄存器：报文头 + 功能码 + 起始地址（2）+要读取的寄存器数量（2）

从机-->主机

报文头 + 功能码 + 字节计数（1）+ data（不定）

写单个

主机-->从机

线圈：报文头 + 功能码 + 起始地址（2）+ 断通标志（2）

保持寄存器：报文头 + 功能码 + 起始地址（2）+data（2）

从机-->主机

原路返回

写多个

主机-->从机

线圈：报文头 + 功能码 + 起始地址（2）+线圈数量（2）+字节计数（1）+ data（不定）

保持寄存器：报文头 + 功能码 + 起始地址（2）+寄存器数量（2）+字节计数（1）+ data（不定）

从机-->主机

 报文头 + 功能码 +起始地址（2）+存储器数量（2） ---》（取部分原文返回）

3、linux下编程

三、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.特点

（1）遵循主从问答的通信方式

（2）采用串口进行通信

 设置串口参数时要求：

波特率为9600（波特率是指每秒钟传输的比特数）

8位数据位 （数据位是指每个字符中包含的比特数）

1位停止位 （停止位是指在每个字符传输结束后添加的比特数）

无流控 （流控是指在数据传输过程中控制数据流量的一种机制，无流控表示在该设置下没有额外的控制机制来控制数据流量）

3.Modbus RTU协议格式

地址码（1） ：从机ID

功能码（1） ：同Modbus TCP （01 02 03 04 05 06 0f 10H）

数据 ：

校验码（2）：对地址码、功能码、数据码进行校验，由函数生成

例：

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 0014 b8 44

01 ：从机id

03 ：功能码

02 ：字节计数

00 14 ：数据

b8 44 ：校验码

值得收藏 Modbus RTU 协议详解-CSDN博客

四、Modbus库

1.  编程步骤

1.  创建实例

2.  设置从机ID

3.  建立连接

4.  寄存器操作（按需选择）

5.  关闭套接字

6.  释放实例

#include <modbus.h>
#include <stdio.h>
//  $$ 客户端　$$　　int main(int argc, char const *argv[])
{//创建modbus实例modbus_t* ctx;ctx=modbus_new_tcp(argv[2],atoi(argv[1]));if(ctx==NULL){perror("modbus_new_tcp err");return -1;}else{printf("创建实例成功\n");}//设置从机IDif(modbus_set_slave(ctx,1)<0){perror("modbus_set_slave err");return -1;}else{printf("从机ID设置成功\n");}//建立连接if( modbus_connect(ctx)<0){perror("modbus_connect err");return -1;}else{printf("连接成功\n");}uint16_t data[128] = {0};//执行03功能int num=modbus_read_registers(ctx,0,2,data);for (int i = 0; i < num; i++){printf("%d ", data[i]);}putchar(10);//关闭套接字modbus_close(ctx);//关闭连接modbus_free(ctx);return 0;
}

HTTP协议

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，并给客户应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。

（需要注意一点：HTTP协议本身是无连接的，即每个请求和响应都是独立的。但是http是基于TCP协议的连接管理方式，长连接和短连接用于优化HTTP请求和响应的传输效率。长连接是指在一个TCP连接上可以发送多个HTTP请求和响应，而不需要每次请求都建立和关闭一个新的TCP连接。短连接是指每个HTTP请求和响应都使用一个新的TCP连接。）

HTTP是媒体独立：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。无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。

HTTP 协议同学可能都知道，HTTP 协议是以明文方式发送内容，不提供任何方式的数据加密，如果攻击者截取了 Web 浏览器和网站服务器之间的传输报文，就可以直接读懂其中的信息，因此 HTTP 协议不适合传输一些敏感信息，比如信用开号、密码等。
为了解决 HTTP 协议的这一缺陷，需要使用另一种协议：HTTPS 协议。
HTTPS（全称：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是以安全为目标的 HTTP 通道，简单来说就是 HTTP 的安全版。即在 HTTP 下加入 SSL 协议，SSL 依靠证书来验证服务器的身份，并为浏览器和服务器之间的通信加密。
HTTPS 和 HTTP 的区别主要为以下三点：
● 1.http 是超文本传输协议，信息是明文传输；https 协议是由 http + ssl 协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，信息是密文传输，比 http 协议安全。
● 2.https 协议需要到 ca 申请证书，一般免费证书很少，需要缴费
● 3.http 和 https 使用的默认端口也不一样，前者是 80，后者是 443

3.http协议格式

1）客户端请求数据格式

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。

注意：linux下回车符和换行符相同

URL:路径

请求方法：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。

2）服务器响应数据格式

HTTP响应也由四个部分组成，分别是：状态行、消息报头、空行和响应正文。

状态行：由三部分组成，HTTP协议的版本号、状态码、以及对状态码的文本描述。例如：HTTP/1.1 （协议版本）200 （状态码）OK (CRLF) 。（200表示请求已经成功）