CN115877825A - 一种基于modbus工控协议的测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明适用于测试平台技术领域，尤其涉及一种基于MODBUS工控协议的测试平台，所述测试平台包括：前端交互模块、线程处理系统、用户态内核驱动模块以及至少一个物理网口，前端交互模块与线程处理系统电性连接，线程处理系统与用户态内核驱动模块电性连接，线程处理系统中包含用户态MODBUS协议栈处理子系统，所述用户态MODBUS协议栈处理子系统由多个MODBUS指令发送模块，用户态内核驱动模块与物理网口电性连接。本发明提高了工业自动化控制网络的运行效率和安全性，本发明能确切、完整的自定义信令流程与协议字段，通过任意编辑指令流程与协议消息字段，可以构造各种工控测试场景。

Description

一种基于MODBUS工控协议的测试平台

技术领域

本发明属于测试平台技术领域，尤其涉及一种基于MODBUS工控协议的测试平台。

背景技术

Modbus是一种串行通信协议，是为使用可编程逻辑控制器通信而发表的，Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

工控指的是工业自动化控制，主要利用电子电气、机械、软件组合实现，即是工业控制，或者是工厂自动化控制，主要是指使用计算机技术，微电子技术，电气手段，使工厂的生产和制造过程更加自动化、效率化、精确化，并具有可控性及可视性。

虽然Modbus发展已有20多年，但目前现有国内外技术仍然依靠专用硬件进行捆绑垄断，同时现有产品对modbus的支持比较单一且性能不够突出。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于MODBUS工控协议的测试平台，旨在解决目前现有国内外技术仍然依靠专用硬件进行捆绑垄断，同时现有产品对modbus的支持比较单一且性能不够突出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于MODBUS工控协议的测试平台，所述测试平台包括：前端交互模块、线程处理系统、用户态内核驱动模块以及至少一个物理网口，前端交互模块与线程处理系统电性连接，线程处理系统与用户态内核驱动模块电性连接，线程处理系统中包含用户态MODBUS协议栈处理子系统，所述用户态MODBUS协议栈处理子系统由多个MODBUS指令发送模块，用户态内核驱动模块与物理网口电性连接。

优选的，所述线程处理系统还包括线程调度模块、建链管理发起模块、拆链管理发起模块和同步收发模块，所述线程调度模块与建链管理发起模块和拆链管理发起模块电性连接，建链管理发起模块用于新建链接，所述拆链管理发起模块用于拆除链接，线程调度模块用于对各个微进程进行管理，同步收发模块与各个MODBUS指令发送模块电性连接，所述同步收发模块用于完成用户态MODBUS协议栈处理子系统中的指令与用户态内核驱动模块之间的交互。

优选的，所述线程调度模块对微线程调度的步骤，具体包括：主站向从站发起数据请求，从站根据数据请求进行响应，将主站所需的数据返回给主站，主站根据返回的数据进行解析，得到所需数据。

优选的，MODBUS协议栈工作时，对主站的数据请求命令进行合成，并对响应数据进行解析，识别事件类型，调用实时事件接口，调用同步异步套接口，识别底层任务的执行者。

优选的，前端交互模块与后端进行交互的过程包括：

显示用户交互界面，接收用户输入的输入数据；

将用户输入的输入数据通过网络传输至后台；

后台对输入数据进行接收，将其存入缓存进行临时存储；

过程控制系统检测到缓存数据后，判断是否需要存储，并判定是否运行测试；

后台服务通过存储计算，将需要存储的数据传入数据库进行存储。

优选的，进行测试的步骤，具体包括：通过协议订单管理下发协议订单至后台，后台读取数据库中保存的协议配置、网口配置等信息，开始执行订单测试，后台监控平台监控订单执行过程及订单执行结果，后台监控程序将结果存入数据用户订单报表。

优选的，MODBUS协议栈中包含多个功能码，主站用于根据功能码向从站请求数据和/或对功能码进行响应。

本发明实施例提供的一种基于MODBUS工控协议的测试平台，提高了工业自动化控制网络的运行效率和安全性，本发明能确切、完整的自定义信令流程与协议字段，通过任意编辑指令流程与协议消息字段，可以构造各种工控测试场景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于MODBUS工控协议的测试平台的整体框架及运行流程图；

图2为本发明实施例提供的微线程调度过程中，每个微线程的数据通信过程示意图；

图3为本发明实施例提供的协议栈生成数据请求命令及解析数据响应消息命令图；

图4为本发明实施例提供的前后端交互过程的示意图；

图5为本发明实施例提供的协议配置及测试过程的示意图；

图6为本发明实施例提供的是典型的测试场景中，周边设备及接口协议图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于MODBUS工控协议的测试平台的整体框架及运行流程图，所述测试平台包括：前端交互模块、线程处理系统、用户态内核驱动模块以及至少一个物理网口，前端交互模块与线程处理系统电性连接，线程处理系统与用户态内核驱动模块电性连接，线程处理系统中包含用户态MODBUS协议栈处理子系统，所述用户态MODBUS协议栈处理子系统由多个MODBUS指令发送模块，用户态内核驱动模块与物理网口电性连接。

在本实施例中，如图1所示，运行流程包括：

S10：物理网口及用户态内核驱动模块：

内核态协议栈与网卡硬件寄存器映射用户态，其中内核态协议栈提供给用户使用Linux 内核态的协议栈，网卡硬件寄存器映射用户态则使用了 UIO 技术，在初始化过程中将网卡硬件寄存器映射到用户态，高性能包转发平台的上层用户态由几个库组成，主要包括核心部件库、平台相关模块、网卡轮询模式驱动模块、QoS 库、报文转发分类算法等几大类，用户应用程序可以使用这些库进行二次开发，用户态协议栈是指把网络协议栈原本在操作系统中的接口，与应用程序放在一起，把网络协议的解析放做进程中的一部分，用户态协议栈的主要作用，是网络数据从网卡到应用程序拷贝过程中的系统调用次数，从而减少CPU上下文切换的次数，达到提高性能的目的，网卡的可操作性会更强。

S12：同步收发包模块

在本模块中，将用户态modbus协议栈处理过程中大量的指令与用户态内核驱动进行同步收发交互。

S13：用户态modbus协议栈处理：

后台服务端在收到启动测试订单的消息后，开始启用线程调度，通过拆链管理、建链管理的方式调度微线程，在用户态modbus协议栈处理模块中，建立大量的modbus指令的收发微线程到同步收发模块中进行处理，同步收发模块将数据通过用户态内核驱动程序调度物理网卡进行数据交互，实现协议测试。

S14：线程调度：

微线程属于用户空间线程，操作系统不对该进程进行管理，通过现场调度模块做调度，使一个进程创建大量微进程，实现消耗小、切换的数据操作。。

S15：拆链与建链：

根据承载服务器的性能情况及测试任务的需要，控制新建链接与拆除链接。

S16：前端交互。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，每个微线程的数据通信过程，具体包括：

S20，首先主站主动发起数据请求，告诉从站需要的数据；

S21，然后从站按照主站的请求返回数据；

S22，主站得到响应后解析数据，这样就完成了主从站之间的一次数据通讯。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，协议栈生成数据请求命令及解析数据响应消息命令的步骤，具体包括：

S30，在modbus协议栈中，已经实现了主站的数据请求命令的合成以及响应数据的解析，所以使用协议栈时就是要控制何时将协议栈合成的主站请求命令发出以及如何解析数据响应进而得到想要的数据的过程；

S31，在协议栈中实现了0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06、0x0F以及0x10等功能码，主站对象可以生成面向这些功能码的从站数据请求。也可以解析面向这些功能码的从站数据响应；

S32，使用协议栈时需要告诉协议栈要生成的数据请求命令以及如何解析数据响应消息；

S33，通过协议任务管理功能识别事件类型，调用实时事件接口，调用同步异步套接口避免任务堵塞或失去响应，最后识别是用户态数据仿真还是用户态信令仿真来分开执行底层任务；用户态数据仿真协议栈是一种用户态协议栈，通过优化处理逻辑获取极高的协议栈性能；用户态信令仿真协议栈是一种用户态协议栈，通过优化处理逻辑获取极高的协议栈性能的同时保证功能的完备。仿真套子节是一种socket机制的参考实现，用以快速集成代码，与上层应用交互；在协议栈与应用直接提供实时事件通知机制，以减少缓存，支持零拷贝；提供同步与异步的套接口封装方案，以便于应用编程。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，为前后端交互过程：

S40在用户交互界面中，用户输入数据（如用户信息、协议配置信息、订单管理信息等）；

S41 ，用户输入的数据通过网络传输至后台；

S42， 数据在后台接收后，首先进入缓存临时存储，用于加快系统响应；

S43 ，过程控制系统检测到缓存数据后，进行判断是否需要存储、是否需要运行测试；

S44 ，后台服务通过存储计算，将需要存储的数据传入数据库进行存储。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，为协议配置及测试过程：

S50，用户通过协议配置管理功能，做好协议配置并存入数据库。协议配置解释如下：

网口设置用来配置设备测试端口的IP信息（不含管理口），网卡列表显示的网卡信息由系统自动从设备上读取，无需配置。如果在仪表管理中添加了被控设备并且已连接，主控的网口设置中也会同步显示被控仪表上网口信息，显示未命名的网口无法被使用，可以点击自动命名（按照自增id），也可手动添加名称；

子界面变量设置设计：

该功能模块用来定义通信的变量；

子界面客户端负载配置设计：

负载配置用来配置仿真时的四层业务模型，有2种规格：并发连接数、新建连接数。点击添加按钮即可添加配置，输入或选择如下参数：

名称：配置该负载项的名称：

规格：该配置项配置新建连接数、并发连接数的优先级关系，如当选择新建连接数优先时，则在测试时优先满足设定的新建连接数指标；

总连接数：配置总连接数指标值；

新建连接数：配置新建连接数指标值；

并发连接数：配置并发数指标值；

系统时间：显示当前系统时间；

等待时间：配置测试等待时间；

上升时间：配置测试爬坡时间；

稳定时间：配置测试稳定时间；

下降时间：配置测试下坡时间；

拖尾时间：配置测试拖尾时间；

子界面客户端动作配置设计：

动作用来配置协议仿真时，所仿真协议的Client端一侧的配置。选择modbus协议后，可编辑协议相关的参数；

子界面关联设计：

关联配置项用来绑定最终客户端的各项配置。点击添加图标按钮可以添加配置，输入或选择如下参数：

名称：配置客户端关联名称；

关联类型：配置客户端关联类型；

子网类型：配置客户端子网类型；

子网：配置客户端子网，选择在“子网”中已配置子网；

协议类型：配置客户端使用协议类型；

动作：选择在“动作配置”中已配置动作；

网络：配置客户端的网络；

开启全局负载：配置是否开启全局负载；

负载：选择在“负载”中一配置负载；

权重：配置该动作的权重。；

S51 ，故进入协议订单管理并下发协议订单进入后台；

S52 ，后台读取数据库中保存的协议配置、网口配置等信息，开始执行订单测试；

S53 ，后台监控平台监控订单执行过程及订单执行结果；

S54 ，后台监控程序将结果存入数据用户订单报表的显示及后续查阅；

通过分析可以查看通讯请求数、响应数、最小时延、最大时延、平均时延、错误率、包速趋势图、流速趋势图、发送接受速率；

通过分析的监控页面，可实时监控总线应用层每秒新建连接数、当前并发数、累计总连接数、累计总请求数、累计总接受响应数、累计无效信息数、累计传输错误次数、累计关闭请求失败数、累计关闭响应失败数；

通过分析的监控页面，可实时监控总线网卡每秒接收数据包数、每秒物理层接收吞吐量、每秒数据链路层接收吞吐量、累计统计发送数据包数、每秒物理层发送吞吐量、每秒数据链路层发送吞吐量、硬件统计每秒发送吞吐量、硬件统计每秒发送数据包数、每秒接收包数、物理层接收字节数、数据链路层接收字节数、累计接收ARP包数、累计接收ARP字节数、累计接收IPV4包数、累计接收IPV4字节数；

通过分析的监控页面，可实时监控总线设备注册连接时间及成功率、单条指令控制时间及成功率、往返指令控制时间及成功率。

如图6所示，为典型的测试场景中，周边设备及接口协议图，modbus可编程协议栈测试工具能够安装在通用 PC 和服务器等硬件设备上，通过以太网和被测系统连接；典型的测试场景包括串行链路从机、串行链路主机、tcp客户端，tcp服务器，各种网关等测试。

在本实施例中，基于通用硬件设计，便于堆叠硬件实现性能提升，不受制于专用测试平台，拓展性强。

在本发明中，基于对modbus协议的测试，设计功能全面，实现了以下功能：

1. 支持两种串口模式（RTU模式和ASCII模式）和TCP模式传输；

2. 支持广播模式和单播模式，支持modbus ID设定；

3. 支持常用的modbus功能码，包括01（读线圈）、02（读离散量）、03（读保持寄存器）、04（读输入寄存器）、05（写单个线圈）、06（写单个寄存器）、15（写多个线圈）、16（写多个寄存器）；

4. 可以设定任意“控制端负载数据”以及“终端负载数据”；

5. 可以配置一条命令，也可以同时配置多条命令；

6. 支持modbus模糊测试；

7. 支持用于挖掘漏洞；

8. 性能支持达到千万级UE上线，对DUT设备进行压力测试，同时也支持测试链接新建能力。

虽然modbus发展已有20多年，但目前现有国内外技术仍然依靠专用硬件进行捆绑垄断，同时现有产品对modbus的支持比较单一且性能不够突出；垄断行为不仅价格高昂，且难以拓展、难以提升性能，本发明通过技术创新，颠覆国外厂商对国内网络通信测试及相关领域的长期垄断，拥有该领域自主知识产权核心技术。

本发明使用通用硬件上的高性能网络包处理和协议栈软件，实现千万级UE上线并对DUT设备进行压力测试，同时也支持测试链接新建能力；由于抛弃了国外公司陈旧的专用硬件技术体系，该专利在易用性，成本，灵活性上远远超过国外同类产品。

应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于MODBUS工控协议的测试平台，其特征在于，所述测试平台包括：前端交互模块、线程处理系统、用户态内核驱动模块以及至少一个物理网口，前端交互模块与线程处理系统电性连接，线程处理系统与用户态内核驱动模块电性连接，线程处理系统中包含用户态MODBUS协议栈处理子系统，所述用户态MODBUS协议栈处理子系统由多个MODBUS指令发送模块，用户态内核驱动模块与物理网口电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于MODBUS工控协议的测试平台，其特征在于，所述线程处理系统还包括线程调度模块、建链管理发起模块、拆链管理发起模块和同步收发模块，所述线程调度模块与建链管理发起模块和拆链管理发起模块电性连接，建链管理发起模块用于新建链接，所述拆链管理发起模块用于拆除链接，线程调度模块用于对各个微进程进行管理，同步收发模块与各个MODBUS指令发送模块电性连接，所述同步收发模块用于完成用户态MODBUS协议栈处理子系统中的指令与用户态内核驱动模块之间的交互。

3.根据权利要求2所述的基于MODBUS工控协议的测试平台，其特征在于，所述线程调度模块对微线程调度的步骤，具体包括：主站向从站发起数据请求，从站根据数据请求进行响应，将主站所需的数据返回给主站，主站根据返回的数据进行解析，得到所需数据。

4.根据权利要求3所述的基于MODBUS工控协议的测试平台，其特征在于，MODBUS协议栈工作时，对主站的数据请求命令进行合成，并对响应数据进行解析，识别事件类型，调用实时事件接口，调用同步异步套接口，识别底层任务的执行者。

5.根据权利要求1所述的基于MODBUS工控协议的测试平台，其特征在于，前端交互模块与后端进行交互的过程包括：

显示用户交互界面，接收用户输入的输入数据；

将用户输入的输入数据通过网络传输至后台；

后台对输入数据进行接收，将其存入缓存进行临时存储；

过程控制系统检测到缓存数据后，判断是否需要存储，并判定是否运行测试；

后台服务通过存储计算，将需要存储的数据传入数据库进行存储。

6.根据权利要求1所述的基于MODBUS工控协议的测试平台，其特征在于，进行测试的步骤，具体包括：通过协议订单管理下发协议订单至后台，后台读取数据库中保存的协议配置、网口配置等信息，开始执行订单测试，后台监控平台监控订单执行过程及订单执行结果，后台监控程序将结果存入数据用户订单报表。

7.根据权利要求4所述的基于MODBUS工控协议的测试平台，其特征在于，MODBUS协议栈中包含多个功能码，主站用于根据功能码向从站请求数据和/或对功能码进行响应。

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