CN111917753B - 一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法，通过对校验匹配的请求响应报文提取有效数据域并以Bit流存放，再将该Bit流转换为对应的位域结构类型，当类型转换完成后，就可以通过操作位域变量直接使用控制信息了。本发明提出的方法通过使用位域结构，而不需要频繁移位、拼接操作，减少了研发人员的工作量并能够提高存储空间的使用率，节约网络资源。

Description

一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法

技术领域

本发明涉及工业通信领域，尤其涉及一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法。

背景技术

工业以太网是一种基于IEEE 802.3的工业通信模式，当以太网应用于工业控制时，要求其选用产品的适用性和可靠性方面应能满足工业现场的需求。相关调研表明，大约四分之三的工业以太网使用Ethernet IP，Modbus TCP，或PROFINET。而Modbus已经成为在工业领域中应用的最流行、最广泛的真正开放、标准的网络通信协议。

工业以太网中传输的Modbus TCP报文，是将Modbus报文再次封装后的TCP/IP报文，报文的有效数据位携带的都是工业控制系统需要交互的数据。而这些控制信息中，有的数据存储时并不需要占用一个完整的字节，只是占用了几个甚至一个比特位而已。比如工业系统中常用的开关信号，只有通和断两种状态，用0、1标识足矣，也就仅需要一个二进制位存储。而目前国内外，对于Modbus TCP报文及类似按位存储的工业数据帧还停留在按位移出等繁琐的解析方法中，Modbus TCP报文的解析过程有以下问题：

第一、Modbus TCP报文除了固定格式的报文头和功能码以外，数据域存放的是压缩信息。所以解析主要是针对Bit位进行操作。传统数据域的解析过程需要多次移位、拼接，而每个控制信息因为存储位置不同，所进行的移位过程也不同，所以导致操作复杂繁琐，且随着数据量的增大，移位、拼接过程也会随之增多。

第二、电气系统调试中，如果对控制信息类型或存放位置加以改变，会导致PC端解析算法发生较大改变，给软件工程师带来繁重的工作任务。比如将数据域中第二个信息由一个Bit位改成8位，则其后数据都将后移7位。则整个数据域的移位、拼接过程都将受到影响。

第三、对于携带部分相同控制信息的不同报文，相同信息在该报文中的位置并不相同，从而导致解析过程中很多模块难以重用。如来自不同设备的报文，其控制信息只有少部分不同，则解析过程都将不同。

因此，当前如何设计出一种能对有效对数据进行压缩存储，从而节约资源的Modbus TCP报文解析方法是目前亟待解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种新的数据解析方式即基于位域的Modbus TCP报文解析方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：Modbus TCP协议基于主、从站工作模式运行，当主、从站建立TCP连接后，主站发送数据请求报文并进入侦听状态，从站收到请求报文后向主站发送数据请求响应报文；

S2：对接收到的报文进行校验匹配，判断报文是否是请求的数据报文的数据响应报文，如果是则转入下一步骤，反之则返回异常响应报文；

S3：对校验通过的请求响应报文进行数据域提取，将提出的有效数据域以Bit流存储；

S4：将以Bit流存储的有效数据进行位域类型转换，并得到相应的位域结构体；

S5：通过操作所述位域结构体，从而直接使用控制信息。

进一步地，步骤S2中所述的判断报文是否是请求的数据报文的数据响应报文的具体步骤包括：

S21：解析接收到的请求响应报文，获取报文中的功能码；

S22：校验所述功能码与发送的请求报文功能码是否一致，如果是则接收到的请求响应报文为该请求报文的响应报文，如果否则返回异常响应报文。

进一步地，步骤S3中所述的数据域提取的具体步骤包括：

S31：对校验通过的数据响应报文，去除响应报文的包头、包尾及功能码；

S32：将有效的数据以Bit流方式存储。

进一步地，步骤S4中所述的将Bit流存储的有效数据进行位域类型转换的具体步骤包括：

S41：分析有效数据域存储的控制信息，定义与之对应的位域结构体；

定义位域结构体的包括五个定义规则，分别为：

规则1：控制信息中开关数据对应位域结构体成员的长度为1；

规则2：控制信息中以字节或字符存储的数据对应的位域结构体成员的长度为8；

规则3：控制信息中以字存储的数据对应的位域结构体成员的长度为16；

规则4：控制信息中以双字存储的数据对应的位域结构体成员长度为32；

规则5：控制信息的总长度及其数据顺序与位域结构体成员一致；

S42：将以Bit流方式存储的有效数据对应存储到相应的位域结构体中。

本发明的有益效果是：

第一，本发明提出的方法能够高效地完成解析工作，且非常有利于通信系统设计者灵活的使用数据和调整数据存放位置。

第二，本发明提出的方法能够避免传统的Modbus TCP报文解析过程中繁琐的移位、拼接过程，从而降低了研发人员的工作量。

第三，通过本发明提出的算法压缩数据的存储方式，不仅节省了存储空间，在传输时也提高了网络信道传输率，节省了网络资源。

综上所述，由于工业以太网的广泛使用和存储空间的使用率问题日趋明显，为节约资源，数据压缩存储必将成为首要选择，因此，有效的数据解析及分析方法是不可或缺的重要环节。本发明提出的使用位域解析Modbus TCP报文的方法能够有效解决传统解析方式繁杂的问题，并且通过修改位域结构体还可以将该方法应用到其他任何压缩数据的解析方法中去，从而提高该方法的适用度。

附图说明

图1 TCP/IP上MODBUS的报文格式；

图2 Modbus TCP报文解析流程图；

图3实施例中本发明算法与传统算法的开销及性能对比图；

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

Modbus是一种常用的串行通信协议，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)通信开发的协议。1996年，施耐德公司推出了基于以太网TCP/IP的Modbus协议—Modbus TCP，此协议使各工业电子设备可以通过通用网络(如以太网)通信。Modbus TCP是开放性的协议，且拥有仪表与自动化行业目前唯一的端口号502。通用Modbus TCP报文格式如附图1所示。在TCP/IP协议上使用长度为7个字节的报文头标记MODBUS应用数据单元。

MODBUS报文分为三大类：请求PDU、响应PDU、异常响应PDU。通过标准的功能码标识不同的报文类型。不同类型的报文数据域对应不同，通常包括可变参数、变量值、数据偏移量、子功能码等。本发明中的响应报文数据域形式为：一个字节的长度域，存放有效数据字节总数。后面紧跟相应字节数的有效数据。

Modbus TCP作为工业系统传输协议，其传输的目的是系统间交互控制信息。而为了节约存储空间和提高设备利用率，控制系统工程师们都会将控制信息压缩存放并传输。经过压缩的数据不仅节省了存储空间，在传输时也提高了网络信道传输率，节省了网络资源。但与此同时，也加大了接收端数据解析的难度。数据接收端如果没有高效率的解析算法，势必会影响整个系统的响应效率，而这是工业控制系统不允许的。

位域(Bit-Field)是C语言一种特殊的数据结构，它的应用使得程序可以访问一个字节中的一个或多个位。每个域都有一个域名，程序中使用域名来对位域进行操作。位域使得不同变量可以存储在一个字节的不同位，大大节省了存储空间，同时也简化了对位的操作。

位域的定义与结构定义相似，比如以下位域定义:

Struct BF{

Byte a:1；Byte b:3；Byte c:6；}Data_Bit；

在上述定义中，Data_Bit结构体共占10位，其中a占1位，b占3位，c占6位，“：”后面紧跟的就是这个位域的长度，单位为比特位。

位域的使用可以减少内存占用率，但在使用中，需要注意以下几点：

第一，位域宽度不能超过其数据类型长度，即位域“：”后面的数字不能超过数据类型的长度。

第二，允许无名位域存在。无名位域用来填充空白位置，但不能被使用。

第三，字节序为大端的处理器，在存储位域结构体时，将高位字节存放在低位内存地址上，将低位字节存放在高位内存地址。而小端字节序刚好与此相反。

第四，不同型号的编译器在处理含有位域成员的结构体时，执行不同的内存对齐方式。

Modbus TCP报文数据域是经过压缩存储并传输的，因此非常适合采用位域的方式进行解析。通过使用位域，可以省去繁琐的移位、转换环节，直接提取出有效控制信息，因此本发明的技术思路是：

针对每一端从设备的报文，定义一个与之对应的位域结构体并声明一个该结构体变量，然后将接收到的报文数据域直接转换为该位域结构类型，即可实现Modbus TCP报文数据域解析。此后在其他地方需要使用控制信息时，可以通过所定义的位域变量直接访问该信息。

本发明提出的一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法，包括以下步骤：

S1：Modbus TCP协议基于主、从站工作模式运行，当主、从站建立TCP连接后，主站发送数据请求报文并进入侦听状态，从站收到请求报文后向主站发送数据请求响应报文；

S2：对接收到的报文进行校验匹配，判断报文是否是请求的数据报文的数据响应报文，如果是则转入下一步骤，反之则返回异常响应报文；

S3：对校验通过的请求响应报文进行数据域提取，将提出的有效数据域以Bit流存储；

S4：将以Bit流存储的有效数据进行位域类型转换，并得到相应的位域结构体；

S5：通过操作所述位域结构体，从而直接使用控制信息。

进一步地，步骤S2中所述的判断报文是否是请求的数据报文的数据响应报文的具体步骤包括：

S21：解析接收到的请求响应报文，获取报文中的功能码；

S22：校验所述功能码与发送的请求报文功能码是否一致，如果是则接收到的请求响应报文为该请求报文的响应报文，如果否则返回异常响应报文。

进一步地，步骤S3中所述的数据域提取的具体步骤包括：

S31：对校验通过的数据响应报文，去除响应报文的包头、包尾及功能码；

S32：将有效的数据以Bit流方式存储。

进一步地，步骤S4中所述的将Bit流存储的有效数据进行位域类型转换的具体步骤包括：

S41：分析有效数据域存储的控制信息，定义与之对应的位域结构体；

定义位域结构体的包括五个定义规则，分别为：

规则1：控制信息中开关数据对应位域结构体成员的长度为1；

规则2：控制信息中以字节或字符存储的数据对应的位域结构体成员的长度为8；

规则3：控制信息中以字存储的数据对应的位域结构体成员的长度为16；

规则4：控制信息中以双字存储的数据对应的位域结构体成员长度为32；

规则5：控制信息的总长度及其数据顺序与位域结构体成员一致；

S42：将以Bit流方式存储的有效数据对应存储到相应的位域结构体中。

实施例：

针对本文提出的一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法，以C++为开发语言实现本发明解析方法的解析端，其包括数据请求与接收模块、数据校验模块、控制信息提取模块、数据应用模块。

参考附图2可以看出，具体的解析流程为：以PLC设备为从站，本实施例中选择西门子公司生产的S7-1200 PLC系列，并且以PC端为主站，当PLC和PC两端建立TCP连接后，解析端向PLC发送数据请求报文，并进入侦听状态，当PLC接收到请求报文后，向PC上的解析端发送一个响应报文；

以其中一个PLC设备发送给PC端的Modbus TCP数据请求响应报文为例，其中该报文的0～6字节为报文头，7字节为功能码0x03，8字节为响应数据占用字节数目，去除报文头、报文尾和功能码后从第9字节开始存放的数据则为有效数据。由此得出有效数据的Bit流在内存中按照表1存放。

表1转换后有效信息在内存中存放

为了使类型转换后的位域结构变量能与Bit数据流对应上，从而正确的提取出有效数据信息，因此，定义如下位域结构体：

struct strRecfromPLC{

Byte Switch1:1；Byte Switch2:1；

Byte Switch3:1；Byte:2；

Byte Switch4:1；Byte Switch5:1；Byte:1；

Byte Offset1；

Byte Offset 2；

Byte Heartbeat；

Byte Switch6:1；Byte Switch7:1；

}；

在上述定义中，我们可以看到Byte占一个字节8位，而成员变量Switch1只占1位，Switch2紧邻Switch1存储且占1位，Switch3紧邻着Switch2存储且占一位，Byte:2表示空出2位，Switch4紧邻着存储且占一位，Switch5紧邻Switch4存储占1位，Byte:1表示再空出1位，那么可以看出这几个成员变量共对应一个字节8位，且其大小和顺序均与表1中的字节9一致；

其中需要指出的是出现的这两个无名位域，用于占用无效位置；

同样的，上述结构体中第四行、第五行、第六行中的成员变量各对应一个字节分别与表1中的有效数据中的字节10、字节11、字节12相对应；

其中Offset1、Offset 2存储的是长度为16位的短整形变量，因为内存大小端的缘故，在部分编辑器中需要进行交换高低位操作后使用。

最后一行的成员变量Switch6和Switch7虽然只显性定义了2位，但基于位域的存储规则和对齐方式，系统会默认分配一个完整字节，因此第六行也对应一个字节，且其大小和顺序均与表1中的字节13一致；

很明显可以得出，定义的位域结构体长度与表1中的有效数据长度和顺序都是一致的，均为5个字节。

通过上述定义后，可以看出整个位域结构与接收到的Bit数据流的数据结构相互对应，此时将定义好的位域结构体进行实例化，并将Bit数据流中的数据拷贝到相应的位域结构体变量中即可，在使用时就可以通过位域结构体成员变量直接提取所需信息了，从而避免了繁琐的移位、拼接过程。

实验结果：

第一，算法功能测试：

S7-1200 PLC实验证明了该方法的有效性。在实验中，将采用位域的Modbus TCP报文解析方法应用于某大型工业以太网数据采集及分析系统，该项目已经完成最终调试且交付客户使用。使用报告证明，该方法可以准确的完成Modbus TCP报文解析功能，成为整个系统不可或缺的重要部分。

采用位域的Modbus TCP报文解析方法在该数据采集及分析系统中对S7-1200 PLC数据解析对照表(截取局部)如表2所示。

表2某S7-1200 PLC部分数据解析对照表

第二，算法开销及性能分析：

实验中，对传统数据采集系统中所使用的数据解析方法进行了对比测试，结果证明，本文提出的使用位域的报文解析方法避免了传统方法(如果传输n个控制信息，就需要进行n次移位和拼接工作，且每个信息因为存储位置不同移位操作也不同)繁琐的移位、拼接工作，解析效率高，节省配置文件(一般需将每个控制信息传输中存储的起始地址和长度建立配置文件保存)的占用空间，内存利用率低，算法简单且出错率低、易修改，在算法性能上占有绝对优势。

传统数据解析方法与采用位域的解析方法，在S7-1200 PLC实验中的应用性能对比如附图3所示，很明显可以看出本发明中提出的算法在实际应用中从CPU使用率、内存占用以及解析时间上看均明显优于传统算法处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：Modbus TCP协议基于主、从站工作模式运行，当主、从站建立TCP连接后，主站发送数据请求报文并进入侦听状态，从站收到请求报文后向主站发送数据请求响应报文；

S2：对接收到的报文进行校验匹配，判断报文是否是请求的数据报文的数据响应报文，如果是则转入下一步骤，反之则返回异常响应报文；

S3：对校验通过的请求响应报文进行数据域提取，将提出的有效数据域以Bit流存储；

S4：将以Bit流存储的有效数据进行位域类型转换，并得到相应的位域结构体；

S5：通过操作所述位域结构体，从而直接使用控制信息；

步骤S4中所述的将Bit流存储的有效数据进行位域类型转换的具体步骤包括：

S41：分析有效数据域存储的控制信息，定义与之对应的位域结构体；

定义位域结构体的包括五个定义规则，分别为：

规则1：控制信息中开关数据对应位域结构体成员的长度为1；

规则2：控制信息中以字节或字符存储的数据对应的位域结构体成员的长度为8；

规则3：控制信息中以字存储的数据对应的位域结构体成员的长度为16；

规则4：控制信息中以双字存储的数据对应的位域结构体成员长度为32；

规则5：控制信息的总长度及其数据顺序与位域结构体成员一致；

S42：将以Bit流方式存储的有效数据对应存储到相应的位域结构体中。

2.根据权利要求1所述的一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法，其特征在于：步骤S2中所述的判断报文是否是请求的数据报文的数据响应报文的具体步骤包括：

S21：解析接收到的请求响应报文，获取报文中的功能码；

S22：校验所述功能码与发送的请求报文功能码是否一致，如果是则接收到的请求响应报文为该请求报文的响应报文，如果否则返回异常响应报文。

3.根据权利要求1所述的一种基于位域的Modbus TCP报文解析方法，其特征在于：步骤S3中所述的数据域提取的具体步骤包括：

S31：对校验通过的数据响应报文，去除响应报文的包头、包尾及功能码；

S32：将有效的数据以Bit流方式存储。

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