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(qiáng)大的最主要的一個(gè)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(yùn)行TCP/IP協(xié)議，而后，又在一個(gè)撥號(hào)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(yùn)行成功，最后，又實(shí)現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無線網(wǎng)點(diǎn)與其他Internet網(wǎng)點(diǎn)之間進(jìn)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(jiǎn)化了OSI的模型，因?yàn)樗÷粤吮硎緦雍蜁?huì)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(shí)上用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP也是最經(jīng)濟(jì)的一種方式。

圖1  簡(jiǎn)化的OSI模型

2  協(xié)議的功能

    組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(jìn)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(shí)，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(shí)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(hào)分配管理機(jī)構(gòu)）給Modbus協(xié)議賦予TCP編口號(hào)為502，這是目前在儀表與自動(dòng)化行業(yè)中唯一分配到的端口號(hào)，Modbus協(xié)議可免費(fèi)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?yàn)閺?978年以來，在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)，已安裝了百萬計(jì)的串口Modbus設(shè)備和10萬計(jì)的Modbus TCP/IP設(shè)備，擁有超過300多個(gè)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(shí)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(fèi)收到，不需交納任何費(fèi)用。而且在網(wǎng)上有很多免費(fèi)資源，如C/C++，JAVA樣板程序，Active X控件，各種測(cè)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(chǎng)總線連接到Modbus TCP的網(wǎng)關(guān)，方便用戶實(shí)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(píng)論：一系列備忘錄的名稱，它們包括概述、評(píng)價(jià)、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(bào)文的“下一個(gè)連接點(diǎn)”，它可以是路由器，計(jì)算機(jī)，控制器甚至是I/O，關(guān)鍵是這個(gè)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(jìn)行尋址的，所以使用時(shí)首先要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少需要一個(gè)“IP地址”、一個(gè)“子網(wǎng)掩碼”、一個(gè)“默認(rèn)網(wǎng)關(guān)”和一個(gè)“主機(jī)名”。如此復(fù)雜的設(shè)置，對(duì)于一些初識(shí)網(wǎng)絡(luò)的用戶來說的確帶來了不便。不過，隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)的熟悉，有許多IP地址配置工具，可以方便進(jìn)行IP設(shè)置，甚至是自動(dòng)設(shè)置。
    IP是面向報(bào)文的協(xié)議，它獨(dú)立處理每個(gè)報(bào)文包，每個(gè)報(bào)文包必須含有完整的尋地信息。IP報(bào)文包的格式如圖2所示。

圖2  IP報(bào)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(gè)主機(jī)（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(gè)主機(jī)（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(jī)（網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為192~223）。
    D類地址用于多點(diǎn)播送，用于多目的地信息的傳輸，全零（“0，0，0，0”）地址對(duì)應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)，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(bào)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(tái)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(dòng)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(bào)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(jìn)行通信。
    報(bào)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(bào)文段

7  TCP端口

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

表1  常用端口號(hào)

    502端口目前是所有自動(dòng)化公司中，唯一用于自動(dòng)化信息傳輸?shù)亩丝谔?hào)。

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(hào)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(shí)現(xiàn)帶有32位IP地址的IP報(bào)文包。
    第四層：傳輸層，實(shí)現(xiàn)可靠性連接，傳輸，查錯(cuò)，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(bào)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(bào)文頭，功能代碼和數(shù)據(jù)三部分。

圖6  Modbus TCP數(shù)據(jù)幀