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1  為什么要用TCP/IP？

    TCP/IP（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，傳送控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）之所以強大的最主要的一個原因在于它可以使用在多種物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)，并能適應(yīng)幾乎所有的底層通信技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，先在X.25上運行TCP/IP協(xié)議，而后，又在一個撥號語音網(wǎng)絡(luò)（例如電話系統(tǒng)）上使用TCP/IP協(xié)議，又有TCP/IP在令牌環(huán)網(wǎng)上運行成功，最后，又實現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無線網(wǎng)點與其他Internet網(wǎng)點之間進行TCP/IP的通信。
    所以說，TCP/IP協(xié)議是及其靈活的，幾乎所有的底層技術(shù)都可以用于傳輸TCP/IP的通信，也就是說，TCP/IP具備連接不同網(wǎng)絡(luò)的能力。另外，使用TCP/IP也簡化了OSI的模型，因為它省略了表示層和會話層。
    如果現(xiàn)在把以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層加到OSI的模型之中，如圖1所示，就構(gòu)成了基于以太網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)。事實上用以太網(wǎng)實現(xiàn)TCP/IP也是最經(jīng)濟的一種方式。

圖1  簡化的OSI模型

2  協(xié)議的功能

    組建網(wǎng)絡(luò)時，必須選擇一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，使得用戶之間能夠相互進行“交流”。協(xié)議（Protocol）是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用來通信的一套規(guī)則，這套規(guī)則可以理解為一種彼此都能聽得懂的公用語言。
    如果在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，在傳輸層使TCP協(xié)議，就構(gòu)成了目前最常用的TCP/IP，現(xiàn)在幾乎所有的廠商和操作系統(tǒng)都支持它，同時，TCP/IP也是Internet的基礎(chǔ)協(xié)議。
    如果在應(yīng)用層使用工業(yè)上事實標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，就構(gòu)成了完整的工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用。

3  開放和標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP

    Modbus是開放的協(xié)議，IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互聯(lián)網(wǎng)編號分配管理機構(gòu)）給Modbus協(xié)議賦予TCP編口號為502，這是目前在儀表與自動化行業(yè)中唯一分配到的端口號，Modbus協(xié)議可免費從www.Modbus.org得到。
    Modbus是標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，Modbus協(xié)議已提交給IETF（Internet Engineering Task Force，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)部），將成為Internet標(biāo)準(zhǔn)。因為從1978年以來，在工業(yè)自動化行業(yè)，已安裝了百萬計的串口Modbus設(shè)備和10萬計的Modbus TCP/IP設(shè)備，擁有超過300多個Modbus兼容設(shè)備廠商，還有90%的第三廠家的I/O支持Modbus TCP/IP，所以是使用最廣泛的事實標(biāo)準(zhǔn)。
    Modbus的普及得益于使用它的門坎很低，無論用串口還是用以太網(wǎng)，硬件成本低廉，Modbus 和 Modbus TCP都可以免費收到，不需交納任何費用。而且在網(wǎng)上有很多免費資源，如C/C++，JAVA樣板程序，Active X控件，各種測試工具等等，所以用戶使用很方便。另外，幾乎可以找到任何現(xiàn)場總線連接到Modbus TCP的網(wǎng)關(guān)，方便用戶實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。

4  Internet Protocol (IP)

    IP是Internet最基本的協(xié)議，用戶可以下載RFC 791（RFC: Request For Comments，要求評論：一系列備忘錄的名稱，它們包括概述、評價、意見、技術(shù)和研究，以及所提出的和被接受的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)），來得到其文件。
    IP層的主要目的是找到IP報文的“下一個連接點”，它可以是路由器，計算機，控制器甚至是I/O，關(guān)鍵是這個設(shè)備必須有自己的IP地址。凡是在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)都是通過IP地址來進行尋址的，所以使用時首先要進行復(fù)雜的設(shè)置，每個節(jié)點至少需要一個“IP地址”、一個“子網(wǎng)掩碼”、一個“默認(rèn)網(wǎng)關(guān)”和一個“主機名”。如此復(fù)雜的設(shè)置，對于一些初識網(wǎng)絡(luò)的用戶來說的確帶來了不便。不過，隨著對網(wǎng)絡(luò)的熟悉，有許多IP地址配置工具，可以方便進行IP設(shè)置，甚至是自動設(shè)置。
    IP是面向報文的協(xié)議，它獨立處理每個報文包，每個報文包必須含有完整的尋地信息。IP報文包的格式如圖2所示。

圖2  IP報文包的格式

5  IP地址的類

    共有四種地址類型，如圖3所示。
    A類地址用于處理超大型網(wǎng)絡(luò)，最多16 387 064個主機（網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為1~126）。
    B類地址的網(wǎng)絡(luò)最多可有64 516個主機（網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為128~191）。
    C類地址用于小型網(wǎng)絡(luò)，最多可有254主機（網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為192~223）。
    D類地址用于多點播送，用于多目的地信息的傳輸，全零（“0，0，0，0”）地址對應(yīng)于當(dāng)前主機，全“1”的IP地址（“225，225，225，225”）是當(dāng)前子網(wǎng)的廣播地址。

圖3  IP地址的四種類型

    TCP是基于傳輸層的協(xié)議，協(xié)議文件可從RFC793得到，它也是Internet中使用最廣泛的協(xié)議之一。
    TCP是面向連接的、可靠的協(xié)議，它能把報文分解為數(shù)段，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發(fā)送沒有被收到的段，TCP提供兩臺設(shè)備之間的全雙工連接，允許它們高效地交換大量數(shù)據(jù)。
    TCP使用滑動窗口協(xié)議來高效地使用網(wǎng)絡(luò)，由于TCP很少干預(yù)底層投遞系統(tǒng)的工作，它可以適應(yīng)各種報遞系統(tǒng)，由于它提供流量控制，所以TCP能夠使各種不同速度的系統(tǒng)進行通信。
    報文段是TCP所使用的基本傳輸單元，用于傳輸數(shù)據(jù)或控制信息。

圖4  TCP報文段

7  TCP端口

    TCP是使用端口（Socket）號把信息傳到上層，為用戶提供不同的服務(wù)，端口號用來跟蹤同一時間內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)的不同會話。
    RFC1700中定義了眾所周知的特殊編口號，常用的端口如表1所示。

表1  常用端口號

    502端口目前是所有自動化公司中，唯一用于自動化信息傳輸?shù)亩丝谔枴?BR>
8  Modbus TCP/IP

    Modbus TCP/IP使用以太網(wǎng)OSI模型中的五層，如圖5所示。
    第一層：物理層，提供設(shè)備的物理接口，與市售的介質(zhì)/網(wǎng)絡(luò)適配器相兼容。
    第二層：數(shù)據(jù)鏈路層，格式化信號到包含源/目的硬件地址的數(shù)據(jù)幀。
    第三層：網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)帶有32位IP地址的IP報文包。
    第四層：傳輸層，實現(xiàn)可靠性連接，傳輸，查錯，重發(fā)，端口服務(wù)，傳輸調(diào)度等。
    第五層：應(yīng)用層，Modbus協(xié)議報文。

圖5  Modbus TCP/IP的五層OSI模型

9  Modbus TCP/IP

    在TCP/IP的以太網(wǎng)上傳輸，支持Ethernet II和802.3兩種幀格式。如圖6所示，Modbus TCP 數(shù)據(jù)幀包含了報文頭，功能代碼和數(shù)據(jù)三部分。

圖6  Modbus TCP數(shù)據(jù)幀