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  • 工业modbus协议解析和转换
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    2021-12-29 10:38:09

    1 什么是Modbus协议?
    Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。
    此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程,如果回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
    当在Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
    在这里插入图片描述
    2 通信方式
    Modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有一个,从站有多个,主站向各从站发送请求帧,从站给予响应。在使用TCP通信时,主站为client端,主动建立连接;从站为server端,等待连接。
    • 主站请求:功能码+数据
    • 从站正常响应:请求功能码+响应数据
    • 从站异常响应:异常功能码+异常码,其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1,异常码指示差错类型

    3 数据读写
    3.1 主机对从机写数据操作

    如果单片机接收到一个报文那么就对报文进行解析执行相应的处理,如上面报文:
    01 06 00 01 00 17 98 04
    从机地址 功能号 数据地址 数据 CRC校验

    假如本机地址是 1 ,那么单片机接收到这串数据根据数据计算CRC校验判断数据是否正确,如果判断数据无误,则结果是:
    HoldDataReg[1] = 0x0017;
    MODBUS主机就完成了一次对从机数据的写操作,实现了通讯。

    3.2 主机对从机读数据操作

    主机进行读HoldDataReg[1] 操作,则报文是:
    01 03 00 01 00 01 D5 CA
    从机地址 功能号 数据地址 读取数据个数 CRC校验
    那么单片机接收到这串数据根据数据计算CRC校验判断数据是否正确,如果判断数据无误,则结果是:返回信息给主机,返回的信息也是有格式的:
    返回内容:
    01 03 02 0017 F8 4A
    从机地址 功能号 数据字节个数 两个字节数据 CRC校验
    MODBUS主机就完成了一次对从机数据的读操作,实现了通讯。

    4 MODBUS事务处理

    下列状态图描述了在服务器侧MODBUS事务处理的一般处理过程。

    5 MODBUS-RTU功能码

    最常用功能码:
    

    下面“线圈”“寄存器”其实分别指的就是“位变量”“16位变量”
    01 (0x01) 读线圈
    02 (0x02) 读离散量输入
    03 (0x03) 读保持寄存器
    04(0x04) 读输入寄存器
    05 (0x05) 写单个线圈
    06 (0x06) 写单个寄存器
    15 (0x0F) 写多个线圈
    16 (0x10) 写多个寄存器

    6 ASCII模式与RTU模式
    6.1 ASCII模式

    当控制器设为在Modbus网络上以ASCII(美国标准信息交换代码)模式通信,在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。
    

    6.1.1 代码系统
    十六进制,ASCII字符0…9,A…F
    消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成
    6.1.2 每个字节的位
    1个起始位
    7个数据位,最小的有效位先发送
    1个奇偶校验位,无校验则无
    1个停止位(有校验时),2个Bit(无校验时)
    6.1.3 错误检测域
    LRC(纵向冗长检测)

    6.2 RTU模式

    当控制器设为在Modbus网络上以RTU(远程终端单元)模式通信,在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。
    6.2.1 代码系统
    8位二进制,十六进制数0…9,A…F
    消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成
    6.2.2 每个字节的位
    1个起始位
    8个数据位,最小的有效位先发送
    1个奇偶校验位,无校验则无
    1个停止位(有校验时),2个Bit(无校验时)
    6.2.3 错误检测域
    CRC(循环冗长检测)

    7 ModbusTCP
    TCP端口号为502

    7.1 ModbusTCP通信过程

    1.connect 建立TCP连接
    2.准备modbus报文
    3.使用send命令发送报文
    4.在同一连接下等待应答
    5.使用recv命令读取报文,完成一次数据交换
    6.通信任务结束时,关闭TCP连接

    8 modbus与其他协议
    在实际应用中,许多scada系统,中心平台等不支持modbus接入。或者多个modbus协议接入很麻烦。则需要通过vfbox协议转换网关进行转换。比如modbus设备接plc,则两者之间协议不匹配,则需要用网关进行转换。

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    RPC和REST的区别

    REST和RPC是两种通讯方式,并不是协议,这一点大家要注意。

    REST是基于HTTP协议的,而RPC可以基于HTTP协议来实现,也可以通过TCP协议来实现。

    业界普遍采用的做法是,内部系统之间调用用 RPC,对外用 REST,因为内部系统之间可能调用很频繁,需要 RPC 的高性能支撑。对外用 REST 更易理解,更通用些。

    API网关内部和外部通讯方式

    在进行协议转换前我们要先思考一个问题,从什么协议转成什么协议呢?

    我们说的协议转换是把客户端的请求协议转为微服务内部的接口协议,处理完之后再把结果转化成客户端能够接受的协议类型。

    • 对于客户端的请求,我们建议采用适用面广泛的REST方式,另外,还可以借助于Swagger这样的工具生成接口代码,对于外部用户来说使用更方便。
    • 对于微服务内部的通讯,建议采用性能更好的RPC通讯方式。因为RPC相对于REST方式效率更高一些。

    主流的几种RPC框架

    RPC框架按可否跨语言来分类,可以分为两种,一类是跟某种特定语言平台绑定的,另一类是与语言无关即跨语言平台的。

    跟语言平台绑定的开源 RPC 框架主要有下面几种:

    • Dubbo:国内最早开源的 RPC 框架,由阿里巴巴公司开发并于 2011 年末对外开源,仅支持 Java 语言。
    • Motan:微博内部使用的 RPC 框架,于 2016 年对外开源,仅支持 Java 语言。
    • Spring Cloud:国外 Pivotal 公司 2014 年对外开源的 RPC 框架,仅支持 Java 语言

    而跨语言平台的开源 RPC 框架主要有以下几种:

    • gRPC:Google 于 2015 年对外开源的跨语言 RPC 框架,支持多种语言。
    • Thrift:最初是由 Facebook 开发的内部系统跨语言的 RPC 框架,2007 年贡献给了 Apache 基金,成为 Apache 开源项目之一,支持多种语言。
    • Tars:腾讯内部使用的 RPC 框架,于 2017 年对外开源,开始仅支持 C++ 语言,现在已经支持多种语言了。

    如果你的业务场景仅仅局限于一种语言的话,可以选择跟语言绑定的RPC框架中的一种。如果涉及多个语言平台之间的相互调用,就应该选择跨语言平台的 RPC 框架。

    下面我们说说几种使用最广泛的几种RPC框架。

    gRPC

    • 基于HTTP/2.0协议。可建立长连接来通讯。
    • 使用 IDL 定义服务接口及通信消息对象。
    • 使用 Protocol Buffers 和 gRPC 工具生成序列化/反序列化和 RPC 通信的代码。
    • 基于生成的代码创建服务端和客户端应用。
    • 用gRPC通讯的客户端和服务端单向和双向数据流传输。

    客户端支持语言:

    • C++
    • Java(and Android)
    • Python
    • Go
    • Ruby
    • C#
    • Javascript(node.js)
    • Objective-C (iOS!)
    • PHP

    服务端支持的语言:

    • C++
    • Java
    • Python
    • Go
    • Ruby
    • C#
    • Javascript(node.js)
      在这里插入图片描述

    Thrift

    国外用的多,源于facebook,后捐献给Apache基金。是Apache的顶级项目 Apache Thrift。使用者包括facebook, Evernote, Uber, Pinterest等大型互联网公司。 而在开源界,Apache hadoop/hbase也在使用Thrift作为内部通讯协议。 这是目前最为成熟的框架,优点在于稳定、高性能。

    Apache Thrift是一个跨语言的服务框架,Thrift包含一个完整的堆栈结构用于构建客户端和服务器端。对于生成的客户端和服务端代码,我们就不做过多介绍了,下面主要说说Thrift特有的特性:TProtocol和TTransport。
    在这里插入图片描述

    传输协议(TProtocol)

    Thrift可以让用户选择客户端和服务端之间传输通信协议的区别,在传输协议上总体分为文本和二进制(binary)传输协议,为了节省带宽,提高传输效率,一般情况下使用二进制类型的传输协议为多数。

    • TBinaryProtocol:二进制编码格式进行数据传输
    • TCompactProtocol:高效率的、密集的二进制编码格式进行数据传输
    • TJSONProtocol:使用 JSON 的数据编码协议进行数据传输
    • TDebugProtocol:使用易懂的可读文本格式,以便于debug

    数据传输方式(TTransport)

    TTransport是与底层数据传输紧密相关的传输层。每一种支持的底层传输方式都存在一个与之对应的TTransport。在这一层,数据是按字节流处理的,即传输层看到的是一个又一个的字节,并把这些字节按顺序发送和接收。TTransport并不了解它所传输的数据是什么类型,实际上传输层也不关心数据是什么类型,只需要按照字节方式对数据进行发送和接收即可。数据类型的解析在TProtocol这一层完成。

    • TSocket:使用阻塞式 I/O进行传输,是最常见的模式
    • THttpTransport:采用HTTP协议进行数据传输
    • TFramedTransPort: 以frame为单位进行传输,非阻塞式服务中使用;
    • TFileTransPort:以文件形式进行传输
    • TMemoryTransport:将内存用于I/O传输
    • TZlibTransport:使用zlib进行压缩, 与其他传输方式联合使用
    • TBufferedTransport对某个transport对象操作的数据进行buffer,即从buffer中读取数据进行传输,或将数据直接写入到buffer

    Dubbo

    国内用的多,源于阿里公司。 性能上略逊于Apache Thrift,但自身集成了大量的微服务治理功能,使用起来相当方便。 Dubbo的问题在于,该系统目前已经很长时间没有维护更新了。Dubbo的架构图如下所示:
    在这里插入图片描述

    组件角色说明
    Provider暴露服务的服务提供方
    Consumer调用远程服务的服务消费方
    Registry服务注册与发现的注册中心
    Monitor统计服务的调用次调和调用时间的监控中心
    Container服务运行容器

    泛化调用

    API网关在进行协议转换的时候有两步,第一步是把客户端的请求协议转为相应微服务的接口协议,然后再调用相应的微服务;第二步是把微服务返回的结果转换为客户端的协议,然后返回给客户端。

    客户端的请求协议可能有多种,而微服务的接口协议也可能有多种,不同的协议之间是无法直接通讯的,那么就需要一个模块来负责把不同的协议转换为用某种语言描述的对象,然后把这个对象再转化为相应的协议代码块。如下图所示:
    在这里插入图片描述

    使用不同的RPC框架,那么需要转成的客户端代码是不一样的。而且即使是对于一种RPC框架,要调用不同语言写的微服务时,所要转成的客户端代码也不也一样。

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  • 各种品牌的PLC协议转换网关介绍

    千次阅读 2021-11-13 11:31:24
    PLC协议众多,每个PLC厂家的PLC协议也是不同,随着工业物联网的发展,需要一种可靠且低成本的方法把这些PLC联网,因此,PLC协议转换网关BL102就诞生了。 钡铼技术的PLC协议转换网关BL102是一款嵌入式硬件,基于...

    PLC协议众多,每个PLC厂家的PLC协议也是不同,随着工业物联网的发展,需要一种可靠且低成本的方法把这些PLC联网,因此,PLC协议转换网关BL102就诞生了。 

    钡铼技术的PLC协议转换网关BL102是一款嵌入式硬件,基于Linux系统的工业物联网关,可采集西门子、三菱、欧姆龙、台达、AB、施耐德等各种PLC协议转换为Modbus、Modbus TCP、OPC UA、MQTT、华为云IoT、亚马逊云IoT、阿里云IoT、金鸽云等协议的网关。 

    PLC协议转换网关

    可以满足下列工业物联网数据采集需求:

    西门子S7协议转MQTTOPC UAModbus协议网关

    欧姆龙Omron Host Link协议转MQTTOPC UAModbus协议网关

    欧姆龙Omron FINS协议转MQTTOPC UAModbus协议网关

    基恩士Omron Host Link协议转MQTTOPC UAModbus协议网关

    基恩士Omron FINS协议转MQTTOPC UAModbus协议网关

    三菱Mitsubishi MELSEC协议转MQTTOPC UAModbus协议网关

    施耐德PLCMQTTOPC UAModbus TCP协议网关

    ABB PLCMQTTOPC UAModbus TCP协议网关

    同时实现多种品牌PLC协议转换

    当生产现场同时存在多台PLC时,不需要单独为每台PLC增加一个PLC协议转换网关,因为一台BL102 PLC协议转换网关可以同时支持100台PLC的连接,大幅度的降低了布线工作量与成本,同时也减低了数字化转型的硬件成本。如下图所示:

    展开全文
  • 文章目录简介UDT协议UDT的缺点总结 简介 简单就是美。在网络协议的世界中,TCP和UDP是建立在IP协议基础上的两个非常通用的协议。我们现在经常使用的HTTP协议就是建立在TCP协议的基础上的。相当于TCP的稳定性来说,...

    简介

    简单就是美。在网络协议的世界中,TCP和UDP是建立在IP协议基础上的两个非常通用的协议。我们现在经常使用的HTTP协议就是建立在TCP协议的基础上的。相当于TCP的稳定性来说,UDP因为其数据传输的不可靠性,所以用在某些特定的场合,如直播、广播消息、视频音频流处理等不太需要校验数据完整性的场合。

    UDP相对TCP协议而言,其特点就是简洁,它删除了在TCP协议中为了保证消息准确性的各种限制性特征。简洁带来的好处就是快!今天给大家讲解一下,基于UDP的高速数据传输协议UDT。

    UDT协议

    UDP因为其简单的特性,所以可以做到很多TCP做不到的事情,比如进行大数据量的快速传输。这里并不是要将TCP和UDP分个好坏高下,毕竟各个协议的适应场景不同,他们之所以流行,就是因为可以在特定的场景发挥出重要的作用。套用中国的一句谚语就是:不管白猫黑猫,能抓到老鼠的,就是好猫。

    用好UDP协议,我们就可以快速的传递大量的数据,这个协议就是UDT协议。

    话说,像这些基础协议都是老外发明的,而中国的互联网巨头都在抢着做平台、做流量的生意,真的是无话可说…

    UDT项目开始于2001年,是由Yunhong Gu在芝加哥伊利诺伊大学国家数据挖掘中心 (NCDM)读博士期间开发的,并在毕业之后持续的进行维护和升级改进。

    UDP的出现是因为那时候,传输更快更便宜的光纤网络出现了,代替了之前的铜缆线和双绞线,从而极大的提升了信息传输的效率。这时候大家就发现之前使用TCP协议来进行大数据的传输会有很大的问题。从而基于UDP的UDT协议出现了。

    UDT的第一个版本,也称为SABUL(Simple Available Bandwidth Utility Library),UDT通过支持批量数据传输,从而方便在私有网络中进行数据的传输。

    要注意的是UDT的第一个版本SABUL使用UDP协议进行传输数据,同时使用单独的TCP协议连接传输控制消息。

    UDT的初始版本是在超高速网络(1 Gbit/s、10 Gbit/s等)上进行开发和测试的,2003年10月,NCDM实现了从美国芝加哥到荷兰阿姆斯特丹的平均每秒6.8G比特的传输。在30分钟内的测试中,他们传输了大约1.4TB的数据。

    从2004年发布的2.0版本开始,SABUL改名为UDT,UDT的全称是UDP-based Data Transfer Protocol,也就是基于UDP的数据传输协议。

    为什么要改成UDT呢?因为在UDT2.0中,删除了SABUL中的TCP 控制连接,并使用UDP来处理数据和控制信息。 另外,UDT2还引入了一种新的拥塞控制算法,允许协议动态调整UDT和TCP流,实现UDT和TCP流的并发运行。

    在2006年,UDT协议升级到了3版本,该协议不仅是在私有网络中运行了,而是扩展到了商业互联网中。同时UDT3中的拥塞控制可以进行调整优化,可以在低带宽的环境中运行,并且允许用户轻松定义和安装自己的拥塞控制算法。另外,UDT3还显着减少了系统资源(CPU和内存)的使用。

    2007年,UDT4版本在高并发和防火墙穿透方面进行优化和性能的提升。UDT4允许多个UDT连接绑定到同一个UDP端口,它还支持集合连接设置,以便UDP hole punching。

    什么是UDP hole punching呢?

    UDP hole punching通常被用在网络地址转换 (NAT)中。用来维护穿越NAT的用户UDP数据包流。它是一种使用网络地址转换器在专用网络中的Internet主机之间建立双向UDP连接的方法。

    什么是NAT呢?

    大家都知道IPV4地址是有限的,很快IPV4地址就快用完了,那怎么解决这个问题呢?

    当然,一个永久解决的办法是IPV6,不过IPV6推出这么多年了,好像还没有真正的普及。

    不使用IPV6的话还有什么解决办法呢?

    这个办法就是NAT(Network Address Translators)。

    NAT的原理是将局域网的IP和端口和NAT设备的IP和端口做个映射。

    NAT内部维护着一张转换表。这样就可以通过一个NAT的IP地址和不同的端口来连接众多的局域网服务器。

    那么NAT有什么问题呢?

    NAT的问题在于,内部客户端不知道自己外网IP地址,只知道内网IP地址。

    如果是在UDP协议中,因为UDP是无状态的,所以需要NAT来重写每个UDP分组中的源端口、地址,以及IP分组中的源IP地址。

    如果客户端是在应用程序内部将自己的IP地址告诉服务器,并想跟服务器建立连接,那么肯定是建立不了的。因为找不到客户端的公网IP。

    即使找到了公网IP,任何到达NAT设备外网IP的分组还必须有一个目标端口,而且NAT转换表中也要有一个条目可以将其转换为内部主机的IP地址和端口号。否则就可能出现下图的连接失败的问题。

    怎么解决呢?

    第一种方式是使用STUN服务器。

    STUN服务器是IP地址已知的服务器,客户端要通信之前,先去STUN服务器上面查询一下自己的外网IP和端口,然后再使用这个外网IP和端口进行通信。

    但有时UDP包会被防火墙或者其他的应用程序所阻挡。这个时候就可以使用中继器技术Traversal Using Relays around NAT (TURN) 。

    双方都将数据发送到中继器server,由中继器server来负责转发数据。注意,这里已经不是P2P了。

    最后,我们有一个集大成者的协议叫做ICE(Interactive Connectivity Establishment ):

    它实际上就是直连,STUN和TURN的综合体,能直连的时候就直连,不能直连就用STUN,不能用STUN就用TURN。

    在使用STUN和ICE的过程中,我们会有一台网络主机用来建立端口映射和保持其他UDP端口状态,但是UDP的状态通常在几十秒到几分钟的短时间后过期,为了保证NAT中UDP的状态和生命周期,于是有了UDP hole punching的技术。通过定时传输keep-alive数据包,对NAT中的UDP状态进行更新。

    UDT的缺点

    因为UDT是基于UDP协议的,但是UDP协议因为其简洁的特性,所以并不具备安全性的特征。所以基于其上的UDT协议因为缺乏安全特性,所以在商业环境中应用会受到一定的限制。

    不过UDT的新版本已经在开发中,大家可以期待一下。

    总结

    UDT被广泛用于高性能计算,比如光纤网络上的高速数据传输。我们后续会在netty中告诉大家怎么使用UDT协议。

    本文已收录于 http://www.flydean.com/11-udt/

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空空如也

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不同协议数据怎么转换