Modbus
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Modbus是一种串行通信协议,是Modicon公司(现在的施耐德电气)于1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议事实上的业界标准,并且现在是工业电子装置之间常用的连接方式。[1] Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有:
- 公开发表并且无著作权要求
- 易于部署和维护
- 对供应商来说,修改移动原生的位元或字节没有很多限制
Modbus允许多个 (大约240个) 装置连接在同一个网络上进行通信,举个例子,一个由测量温度和湿度的装置,并且将结果发送给电脑。在数据采集与监视控制系统(SCADA)中,Modbus通常用来连接监控电脑和远程终端控制系统(RTU)。
协议版本
[编辑]Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。
大多数Modbus装置通信通过串EIA-485物理层进行[2]。
对于串行连接,存在两个变种,它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的,采用二进制表示数据的方式,Modbus ASCII是一种人类可读的,冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通讯(serial communication)方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和,而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信,反之亦然。
对于通过TCP/IP(例如以太网)的连接,存在多个Modbus/TCP变种,这种方式不需要校验和计算。
对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的,只有封装方式是不同的。
Modbus有一个扩展版本Modbus Plus(Modbus+或者MB+),不过此协议是Modicon专有的,和Modbus不同。它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线,并且每个节点都有转换隔离装置,是一种采用转换/边缘触发而不是电压/水平触发的装置。连接Modbus Plus到电脑需要特别的接口,通常是支持ISA(SA85),PCI或者PCMCIA总线的板卡。
通信和装置
[编辑]Modbus协议是一个master/slave架构的协议。有一个节点是master节点,其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave装置都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中,只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令(在以太网上,任何一个装置都能发送一个Modbus命令,但是通常也只有一个主节点装置启动指令)。
一个ModBus命令包含了打算执行的装置的Modbus地址。所有装置都会收到命令,但只有指定位置的装置会执行及回应指令(地址0例外,指定地址0的指令是广播指令,所有收到指令的装置都会执行,不过不回应指令)。所有的Modbus命令包含了检查码,以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指挥一个RTU改变它的寄存器的某个值,控制或者读取一个I/O端口,以及指挥装置回送一个或者多个其寄存器中的数据。
有许多modems和网关支持Modbus协议,因为Modbus协议很简单而且容易复制。它们当中一些为这个协议特别设计的。有使用有线、无线通信甚至短讯和GPRS的不同实现。不过设计者需要克服一些包括高延迟和时序的问题。
实现
[编辑]几乎所有的实现都是官方标准的某种变体。不同的供应商装置之间可能无法正确的通信。一些主要的变化有:
- 数据类型
- IEEE标准的浮点数
- 32位整型数
- 8位数据
- 混合数据类型
- 整数中的位域
- multipliers to change data to/from integer. 10, 100, 1000, 256 ...
- 协议扩展
- 16位的从站地址
- 32位的数据大小(1个地址 = 返回32位数据)
- 字交换数据
限制
[编辑]- Modbus是在1970年末为可编程逻辑控制器通信开发的,这些有限的数据类型在那个时代是可以被PLC理解的,大型二进制对象数据是不支持的。
- 对节点而言,没有一个标准的方法找到数据对象的描述资讯,举个例子,确定一个寄存器数据是否表示一个介于30-175度之间的温度。
- 由于Modbus是一个主/从协议,没有办法要求装置“报告异常”(构建在以太网的TCP/IP协议之上,被称为open-mbus除外)- 主节点必须循环的询问每个节点装置,并查找数据中的变化。在带宽可能比较宝贵的应用中,这种方式在应用中消耗带宽和网络时间,例如在低速率的无线链路上。
- Modbus在一个数据链路上只能处理247个地址,这种情况限制了可以连接到主控站点的装置数量(再一次指出以太网TCP/IP除外)
- Modbus传输在远端通讯装置之间缓冲数据的方式进行,有对通讯一定是连续的限制,避免了传输中的缓冲区漏洞的问题
- Modbus协议针对未经授权的命令或截取数据没有安全性。[3]
Modbus 通讯协议学理上的弱点分析
[编辑]Modbus 当初设计的时候,主要着重两点,分别是简单-易于各项系统或是装置上的实现与各项系统所需求的资源较低,以利降低成本, 另一则是通用-便于集成各式各样装置或是平台,同样地,这样也带来一些缺点,从资安的角度上去解析可发现具有三个主要的弱点:
- 没有保护机制-指令明码传输(透过第三方数据包侧录软件就可以截取数据包内容,无须解密)。
- 没有认证机制-符合规范就执行 (只要符合Modbus规范之数据包传输便可透过第三方控制软件监控接受端装置)
- 有可能有实现上的问题(针对未定义参考位置输入指令值,可能造成接收端传输异常进而瘫痪接收端装置)。
参考文献
[编辑]- ^ Drury, Bill. Control Techniques Drives and Controls Handbook
(PDF) 2nd. Institution of Engineering and Technology. 2009: 508– [2014-12-17]. (原始内容存档于2013-11-02).
- ^ 存档副本. [2008-12-23]. (原始内容存档于2009-02-09).
- ^ Palmer; Shenoi, Sujeet (编). Critical Infrastructure Protection III. Third IFIP WG 11. 10 International Conference. Hanover, New Hampshire: Springer: 87. 23–25 March 2009. ISBN 3-642-04797-1.
外部链接
[编辑]- 开源软件
- 一个基于GNU/Linux C开发的开源Modbus库(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- 为微控制器开发的免费的Modbus ASCII/RTU和TCP软件(页面存档备份,存于互联网档案馆)。
- C开发。新站点位置http://www.freemodbus.org(页面存档备份,存于互联网档案馆)。商业支持版本在http://www.embedded-solutions.at(页面存档备份,存于互联网档案馆)。
- NModbus(页面存档备份,存于互联网档案馆)是一个有例子的C#实现版本
- Perl语言开发的Protocol::Modbus
- Perl语言开发的Modbus::Client(页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Ruby开发的Modbus master(页面存档备份,存于互联网档案馆)。公共领域的示例代码,可以很容易的用其他脚本语言重新开发。