开题我们先罗列一下国内目前常见的
工业以太网协议以及主要厂家
想必大家都知道在以太网还在以同轴电缆作为物理传输介质的时候，很多主流工业通讯方式还是串口，包括我们熟知的Modbus RTU，Can，MPI/PPI , 3964R, MB , DF1等等。
今天给大家讲讲这几种工业以太网：
Modbus TCP/IP：
首先我们来看Modbus TCP/IP, 直观上看他还是Modbus协议，这个没错，Modbus TCP/IP是Modbus 协议的变体，将Modbus协议运行在了TCP/IP网络上，连接端口是502，不需要校验和计算，因为数据校验在低层进行了；
还有几种协议Modbus over TCP，Modbus over TCP/IP还有Modbus RTU/IP，这三种也是Modbus的变体，但是和Modbus TCP/IP协议最大的区别就是带有了Modbus RTU的检验和。
目前也有很多人在研究Modbus UDP/IP，这和Modbus TCP/IP最大的区别在于可以提高实时性和通信效率。因为UDP是无连接协议，比TCP节约了大量网络时间，但是可靠性和安全性不能保证。
首先，让我们通过一段报文来理解Modbus TCP/IP，从OSI七层模型物理层到应用层
上图我们可以清晰看到Modbus TCP/IP使用了OSI的物理层，数据链路层，网络层，传输层以及应用层
物理层：
Frame 物理层的数据帧概况，线路307个字节，实际捕获307个字节
- 物理介质：以太网卡
- 传输介质：双绞线，同轴电缆，光纤
- 封装类型：Ethernet（1）
- 物理接口：RJ45
- 帧编号：1176
- 帧长度：307字节
数据链路层：
Ethernet II协议，以太网帧头信息 （14个字节）
网卡MAC地址：
- 目的MAC：00:15:5d:07:b4:0a
- 源MAC：a8:74:1d:c7:16:5d
- 类型：IPv4
网络层：
IP协议 IP包头信息（20个字节）
- 版本：IPv4
- 协议类型：TCP
- 源IP地址：172.18.32.32
- 目的IP地址：172.18.31.72
传输层：
TCP协议 数据段的头信息（20个字节）
- 源端口：502
- 目的端口：57298
- 序列号：4197
- 确认号：241
- PDU长度：253
应用层：
MBAP，Modbus 应用层的信息（253个字节）
- MBAP：（7个字节）
- MABP 由四部分构成：
- 事务识别号：9522
- 协议识别号：0
- 长度：247
- 设备识别号：255
详细说明如下：
描述 | 字节长度 | 描述 | 客户端表示 | 服务端表示 |
|---|---|---|---|---|
事务识别号 | 2字节 | Modbus 请求/响应任务的识别号 | 由客户端初始化时形成 | 由接收到的请求信息复制 |
协议识别号 | 2字节 | 0=Modbus 协议 | 由客户端初始化时形成 | 由接收到的请求信息复制 |
长度 | 2字节 | 后面的字节数量 | 由客户端发送请求时形成 | 由服务端响应请求时形成 |
设备识别号 | 1字节 | 连接的从站地址 | 由客户端初始化时形成 | 由接收到的请求信息复制 |
关于设备识别号，对于Modbus TCP/IP协议该项默认255，但是如果该协议为Modbus Plus或者Modbus RTU等串口协议，通过串口服务器等转换设备转换后变为了Modbus RTU over TCP，则该项为Modbus 串口从站的设备地址。
Modbus：（246个字节）
在应用层Modbus的响应报文：
- 第一个字节：功能码
- 第二个字节：后面的长度
- 第三个字节：请求数据的第一个寄存器的值。上图即显示的40001-40024的值；由上图也能看出40003的当前值为38.86
综上内容一条完整modbus TCP/IP的构成如下：
以太网头 | IP包头 | 数据段 | MBAP | 功能码 | 长度 | 数据[0] | 数据[1] | 数据[2] | ...... |
|---|
以太网头（14字节）：
目的MAC地址（6字节） | 源MAC地址（6字节） | 类型（2字节）0x0800为IPv4 |
|---|
IP包头（20字节）
版本（1字节） | DSF（1字节） | 总长度（2字节） | 识别码（2字节） | 标志字（1字节） |
|---|---|---|---|---|
段偏移（1字节） | 生存时间（1字节） | 协议（1字节）06=TCP | 错误校验（2字节） | 源IP地址（4字节） |
目的IP地址（4字节） |
数据段（20字节）
源端口（2字节） | 目的端口（2字节） | 序列号（4字节） | 确认号（4字节） | 数据段长度（1字节） |
|---|---|---|---|---|
Flag（1字节） | 窗口（2字节） | 校验和（2字节） | 紧急指针（2字节） |
后面即为Modbus TCP/IP部分信息；
Modbus TCP/IP数据结构：
Modbus TCP/IP为CS架构，Client不断的像Server发出请求，Server端被动响应提供数据或者被写入。读写的数据结构和Modbus RTU是一样的，常见的如下四种：
序号 | 描述 | 地址 | 读写权限 |
|---|---|---|---|
1 | 开关量输入 | 10001 或者 100001 | 只读 |
2 | 模拟量输入寄存器 | 30001 或者 300001 | 只读 |
3 | 线圈输出 | 00001 或者 000001 | 读写 |
4 | 保持寄存器 | 40001 或者 400001 | 读写 |
根据以上四种数据类型，可以引申出常见的8个功能码：
但是实际上Modbus协议的功能码远不止如下8个；比如FC20和FC21就是对文件记录的操作，其中FC20是读取文件记录，FC21是对文件进行写操作。
Modbus TCP/IP Client/Server 模型：
Modbus TCP/IP工作过程：
- 客户端在网络上发出消息请求，将任务进行初始化
- 请求信息被服务端接收到
- 服务端发送一个响应消息
- 客户端确认收到服务端的响应信息
Modbus TCP/IP和Modbus RTU ADU的区别：
Modbus RTU ADU：
从站地址 | 功能码 | 数据 | CRC校验 |
|---|
Modbus TCP/IP ADU：
Modbus 应用协议头头（MBAP Header） | 功能码 | 数据 |
|---|
其中两点区别： 1、没有了CRC校验 2、从站地址（1个字节）变为了MBAP Header（七个字节）
最后给大家附上modbus错误代码
错误代码 | 说明 |
|---|---|
01 | 非法功能。对于服务器（或从站）来说，询问中接收到的功能码是不可允许的操作，可能是因为功能码仅适用于新设备而被选单元中不可实现同时，还指出服务器（或从站）在错误状态中处理这种请求，例如：它是未配置的，且要求返回寄存器值。 |
02 | 非法数据地址。对于服务器（或从站）来说，询问中接收的数据地址是不可允许的地址，特别是参考号和传输长度的组合是无效的。对于带有100个寄存器的控制器来说，偏移量96和长度4的请求会成功，而偏移量96和长度5的请求将产生异常码02。 |
03 | 非法数据值。对于服务器（或从站）来说，询问中包括的值是不可允许的值。该值指示了组合请求剩余结构中的故障。例如：隐含长度是不正确的。modbus协议不知道任何特殊寄存器的任何特殊值的重要意义，寄存器中被提交存储的数据项有一个应用程序期望之外的值。 |
04 | 从站设备故障。当服务器（或从站）正在设法执行请求的操作时，产生不可重新获得的差错。 |
05 | 确认。与编程命令一起使用，服务器（或从站）已经接受请求，并且正在处理这个请求，但是需要长持续时间进行这些操作，返回这个响应防止在客户机（或主站）中发生超时错误，客户机（或主机）可以继续发送轮询程序完成报文来确认是否完成处理。 |
06 | 从属设备忙。与编程命令一起使用。服务器(或从站)正在处理长持续时间的程序命令。张服务器(或从站)空闲时，用户(或主站)应该稍后重新传输报文。 |
08 | 存储奇偶差错。与功能码20和21以及参考类型6一起使用，指示扩展文件区不能通过一致性校验。服务器(或从站)设法读取记录文件，但是在存储器中发现一个奇偶校验错误。客户机(或主方)可以重新发送请求，但可以在服务器(或从站)设备上要求服务。 |
10 | 不可用网关路径。与网关一起使用，指示网关不能为处理请求分配输入端口至输出端口的内部通信路径。通常意味着网关是错误配置的或过载的。 |
11 | 网关目标设备响应失败。与网关一起使用，指示没有从目标设备中获得响应。通常意味着设备未在网络中。 |
未完待续
