一　乙太網的標準

　　乙太網是一種區域網。早期標準為IEEE 802.3，資料鏈路層使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理層有：

(1)10 Base 5粗同軸電纜，RG-8，一段最長為500m；

(2)10 Base 2細同軸電纜，RG-58，一段最長為185m；

(3)10 Base T雙絞線，UTP或STP，一段最長為100m。

　　快速乙太網為100Mb/s，標準為802.3a，介質為100 Base Tx雙絞線、100 Base Fx光纖。

　　目前10/100M乙太網使用最為普遍，很多企事業使用者已實現100M到乙太網桌面，確實體驗到高速“衝浪”的快感，另外從距離而言，非遮蔽雙絞線(UTP)為100m，多模光纖可達2～3km，單模光纖可大於100km。千兆乙太網1000Mb/s為802.3z/802.3ab，萬兆乙太網10Gb/s為802.3ae，將為新一輪乙太網的發展帶來新的機遇與衝擊。

二　工業乙太網與商用乙太網的區別

　　什麼是工業乙太網？技術上，它與IEEE802.3相容，故從邏輯上可把商用網和工業網看成是一個乙太網，而使用者可根據現場情況，靈活裝配自己的網路部件，但從工業環境的惡劣和抗干擾的要求，設計者希望採用市場上可找到的乙太網晶片和媒介，兼顧考慮下述工業現場的特殊要求：首先要考慮高溫、潮溼、振動；二是對工業抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，如滿足EN50081-2、EN50082-2標準，而辦公室級別的產品未經這些工業標準測試，表1列出了一些常用工業標準。為改善抗干擾性和降低輻射，工業乙太網產品多使用多層線路板或雙面電路板，且外殼採用金屬如鑄鋁遮蔽干擾；三是電源要求，因集線器、交換機、收發器多為有源部件，而現場電源的品質又較差，故常採用雙路直流電或交流電為其供電，另外考慮方便安裝，工業乙太網產品多數使用DIN導軌或面板安裝；四是通訊介質選擇，在辦公室環境下多數配線使用UTP，而在工業環境下推薦使用者使用STP(帶遮蔽雙絞線)和光纖。

三　TCP/IP

1. 為什麼使用TCP/IP？

　　最主要的一個原因在於它能使用在多種物理網路技術上，包括區域網和廣域網技術。TCP/IP協議的成功很大程度上取決於它能適應幾乎所有底層通訊技術。

    20世紀80年代初，先在X.25上執行TCP/IP協議；而後又在一個撥號語音網路(如電話系統)上使用TCP/IP協議，又有TCP/IP在令牌環網上執行成功；最後又實現了TCP/IP遠端分組無線網點與其他Internet網點間TCP/IP通訊。所以TCP/IP協議極其靈活，具備連線不同網路的能力。

　　另外，使用TCP/IP也簡化了OSI模型，因為它省略了表示層和會話層。如果現在把乙太網的物理層和資料鏈路層加到OSI模型就構成了基於乙太網的TCP/IP網，如圖1所示。用乙太網實現TCP/IP也是經濟的一種方式。

2. Internet Protocol(IP)

　　IP是Internet最基本的協議，使用者可從www.ietf.org下載RFC79來得到其檔案，(要求評論RFC: Request For Comments：一系列備忘錄的名稱，包括概述、評價、意見、技術和研究，以及所提出的和被接受的網際網路標準)。

　　IP層主要目的是找到IP報文的“下一個連線點”，它可以是路由器、計算機、控制器甚至I/O，關鍵該裝置須有自己的IP地址。凡在網路層使用IP協議的網路，都通過IP地址定址，所以使用時首先要進行復雜的設定，每個節點至少需一個“IP地址”、一個“子網掩碼”、一個“預設網點”和一個“主機名”，如此複雜的設定，對於一些初識網路的使用者來說的確帶來不便，不過隨著對網路熟悉，有許多IP地址配置工具，可方便進行IP設定，甚至是自動設定。

　　IP是面向報文的協議，它獨立處理每個報文包，每個報文包必須含有完整的定址資訊。IP報文包的格式如圖2所示。

　　IP地址的型別共有4種(如圖3所示)：A類用於處理超大型網路，最多16387064個主機(1～126)；B類網路最多可有64516個主機(網路地址的第一段為128～191)；C類用於小型網路，最多可有254個主機(網路地址的第一段為192～223)；D類用於多點播送，用於多目的資訊的傳輸。全零(“0.0.0.0”)地址對應於當前主機，全1地址(“255.255.255.255”)是當前子網的廣播地址。

3. Transmission Control Protocol (TCP)

　　TCP是基於傳輸層的協議(如圖4所示)，協議檔案可從RFC793得到，使用廣泛，面向連線的可靠協議。它能把報文分解為數段，在目的站再重新裝配這些段，支援重新發送未被收到的段，提供兩臺裝置間的全雙工連線，允許它們高效地交換大量資料。TCP使用滑動視窗協議來高效使用網路。由於TCP很少干預底層投遞系統的工作，它適應各種投遞系統；且提供流量控制，能使各種不同速率的系統進行通訊。報文段是TCP所使用的基本傳輸單元，用於傳輸資料或控制資訊。

4. TCP埠

　　TCP是使用埠(Socket)號把資訊傳到上層，為使用者提供不同服務，埠號跟蹤同一時間內通過網路的不同會話。RFC1700中定義了眾所周知的特殊埠號，常用埠如表2所列。其中502埠是自動化公司唯一所擁有的埠號碼。

5. 協議(Protocal)的功能

　　組建網路時，必須選擇一種網路通訊協議，使得使用者之間能相互進行“交流”。協議是網路裝置用來通訊的一套規則，可理解為一種彼此都能聽懂的公用語言。如在網路層使用IP協議，在傳輸層使用TCP協議，就構成了目前常用的TCP/IP協議，現在幾乎所有廠商和作業系統都支援它。同時，TCP/IP也是Internet的基礎協議。

如在應用層使用工業上事實標準的Modbus協議(如圖5所示)，就構成了完整工業乙太網應用。

四　開放和標準的Modbus TCP

　　Modbus是開放協議，IANA(Internet Assigned Numbers Authority, 網際網路編號分配管理機構)給Modbus協議賦予TCP埠502，Modbus協議可免費從www.Modbus.org得到。

　　Modbus是標準協議，它已提交給IETF(Internet Engineering Task Force, 網際網路工程任務部)，將成為Internet標準。因自1978年，工業自動化行業已安裝了百萬計串列埠Modbus裝置和十萬計Modbus TCP/IP裝置，擁有超過300個Modbus相容裝置廠商，還有90%的第三廠家I/O支援Modbus TCP/IP，所以是使用廣泛的事實標準。Modbus的普及得益於使用門坎很低，無論用串列埠還是用乙太網，硬體成本低廉，Modbus和Modbus TCP都可以免費得到，不需交任何費用，且在網上有很多免費資源，如C/C++、JAVA樣板程式、ActiveX控制元件、各種測試工具等，所以使用者使用很方便。另外，幾乎可找到任何現場匯流排到Modbus TCP的網點，方便使用者實現各種網路之間的互聯。

1. Modbus TCP/IP

　　如果使用TCP/IP乙太網的5層：

    第一層：物理層，提供裝置的物理介面，與市售的介質/網路介面卡相相容；

    第二層：資料鏈路層，格式化訊號到源/目的硬體地址的資料幀；

    第三層：網路層，實現帶有32位IP地址的IP報文包；

    第四層：傳輸層，實現可靠性連線、傳輸、查錯、重發、埠服務、傳輸排程；

    第五層：應用層，Modbus協議報文。

2. Modbus TCP資料幀

　　在TCP/IP乙太網上傳輸，支援Ethernet II和802.3兩種幀格式。圖6所示，Modbus TCP資料幀包含報文頭、功能程式碼和資料3部分。

    MBAP報文頭(MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus應用協議)分4個域，共7個位元組，如表3所示。

3. Modbus功能程式碼

　　共有3種類型分別為：

    (1)公共功能程式碼(如表4所示)：已定義好的功能碼，保證其唯一性，由Modbus.org認可；

    (2)使用者自定義功能程式碼有兩組，分別為65～72和100～110，無需認可，但不保證程式碼使用的  唯一性。如變為公共程式碼，需交RFC認可；(3)保留的功能程式碼，由某些公司使用在某些傳統裝置的程式碼，不可作為公共用途。

　　功能程式碼劃分：按應用深淺，可分為3個類別。

1. 類別0，對於客戶機/伺服器最小的可用子集：讀多個保持暫存器(fc.3)；寫多個保持暫存器(fc.16)。

2. 類別1，可實現基本互易操作的常用程式碼：讀線圈(fc.1)；讀開關量輸入(fc.2)；讀輸入暫存器(fc.4)；寫線圈(fc.5)；寫單一暫存器(fc.6)。

3. 類別2，用於人機介面、監控系統的例行操作和資料傳送功能：

4. 強制多個線圈(fc.15)；讀通用暫存器(fc.20)；寫通用暫存器(fc.21)；遮蔽寫暫存器(fc.22)；讀寫暫存器(fc.23)。

4. Modbus應用舉例

1. 讀暫存器(見表5)。

2. Modbus TCP請求報文舉例(見表6)。

3. Modbus TCP客戶端的實況。

   用Connect()命令建立目標裝置TCP 502埠的連線資料通訊的過程：

   1. 準備Modbus報文，包括7個位元組的MBAP在內的請求；

   2. 使用send()命令傳送；

   3. 在同一連線等待應答；

   4. 同recv()讀報文，完成一次資料交換過程。
      當通訊任務結束時，關閉TCP連線，使伺服器可以為其他服務。

4. Modbus TCP的樣板程式

   使用者可通過網站www.transparent-factory.com下載到：

   1. JAVA的應用程式；

   2. 基於Unix系統下，C的應用程式；

   3. 基於Win32系統下，C的應用程式。

5. Modbus TCP協議

   協議文字的英文版可從www. modbus.org下載，如需協議文字的中文版，可向施耐德電氣(中國)投資有限公司各地區辦事處索要。

五　使用TCP/IP Modbus的原因

1. TCP/IP已成為資訊行業的事實標準：世界上93%的網路都使用TCP/IP，只要在應用層使用Modbus TCP，就可實現工業乙太網資料交換；

2. 易於與各種系統互連：可用於管理網、實時監控網及現場裝置通訊；

1. 網路實施價格低廉：可全部使用通用網路部件；

2. 使用者強烈要求：目前中國已把Modbus TCP作為工業網路標準之一，使用者可免費獲得協議及樣板程式，可在Unix、Linux、Windows下執行，不需要專門驅動程式。在國外，Modbus TCP被國際半導體業SEMI定為網路標準，國際水處理、電力系統也把它作為應用的事實標準，還有越來越多行業作為標準來用；

1. 高速的資料：使用者最關心的是所使用網路的傳輸能力，100M乙太網的傳輸結果為：每秒4000個Modbus TCP報文，而每個報文可傳輸125個字(16bit)，故相當於4000×125=500000個模擬量資料(8000000開關量！)；

1. 廠家能提供完整解決方案：工業乙太網的接線元件，包括工業整合器、工業交換機、工業收發器、工業連線電纜。工業乙太網伺服器，包括遠端、分散式I/O掃描功能，裝置地址IP的設定功能，故障裝置線上更換。功能，分組的資訊釋出與訂閱功能，網路動態監視功能，還有支援瘦客戶機的Web服務。其他工控裝置的支援：如工業用人機介面、變頻器、軟起動器、電動機控制中心、乙太網I/O、各種現場匯流排的網橋、甚至帶TCP/IPModbus的感測器，都為使用者使用提供了方便。