基于ModbusTcp协议的Java Socket通信 报文编码格式与数据采集过程详解【上】_socket报文格式

• RTU协议：基于ModbusRtu协议的Java Socket通信 报文编码格式与数据采集过程详解
• 后文：基于ModbusTcp协议的Java Socket通信 报文编码格式与数据采集过程详解（下）

1 简介
modbus由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的modbus协议：modbusTCP
Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。
标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。

2 ModbusTCP数据帧
ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU。

2.1 报文头MBAP
MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：
事务处理标识 协议标识 长度 单元标识符
2字节 2字节 2字节 1字节

事务处理标识 ：可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。
协议标识符 ：00 00表示ModbusTCP协议。
长度 ：表示接下来的数据长度，单位为字节。
单元标识符 ：设备地址。

2.2 帧结构PDU
PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。

2.2.1 功能码
modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器。
线圈：PLC的输出位，开关量，在MODBUS中可读可写
离散量：PLC的输入位，开关量，在MODBUS中只读
输入寄存器：PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在MODBUS中只读
保持寄存器RW：PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，可读可写

根据对象的不同，modbus的功能码有：
0x01：读线圈
0x05：写单个线圈
0x0F：写多个线圈
0x02：读离散量输入
0x04：读输入寄存器
0x03：读保持寄存器
0x06：写单个保持寄存器
0x10：写多个保持寄存器

Wireshark第三方抓包netdebugtool（client）和MThings（ModusTCP）：

ip过滤

   ip.src ==192.168.1.104 显示源地址为192.168.1.104的数据包列表
   ip.dst==192.168.1.104, 显示目标地址为192.168.1.104的数据包列表
   ip.addr == 192.168.1.104 显示源IP地址或目标IP地址为192.168.1.104的数据包列表
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端口过滤

  tcp.port ==80,  显示源主机或者目的主机端口为80的数据包列表。
  tcp.srcport == 80,  只显示TCP协议的源主机端口为80的数据包列表。
  tcp.dstport == 80，只显示TCP协议的目的主机端口为80的数据包列表。
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Http模式过滤

http.request.method=="GET",   只显示HTTP GET方法的。
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逻辑运算符为 and/or/not

过滤多个条件组合时，使用and/or，比如获取IP地址为192.168.1.104的ICMP数据包表达式为ip.addr == 192.168.1.104 and icmp
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编码与进制转换：

平时看到的数据都是十进制，在tcp/socket发出的消息将以十六进制编码，且有两种显示方式“0x00,0x01”和”00 01”（WireShark捕获的是后者）。记得要先把显示十六进制的选择项选中，在数据发送窗口即处于HEX输入模式了, 在里面直接输入HEX格式内容。
连接成功后，从WireShark的捕获可以看到通信中使用的是ascii码。

字节流转换为十六进制的函数：

public static String printHexString(byte[] b) {
        String res = "";
        for (int i = 0; i < b.length; i++) {
            String hex = Integer.toHexString(b[i] & 0xFF);
            if (hex.length() == 1) {
                hex = '0' + hex;
            }
            res += hex;
        }

        return res;
    }
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socket通信/数据采集程序：
假设现在需要读取保持寄存器的数值，已知设备的地址、寄存器地址和数量，对应上述的tcp报文格式进行询问报文编码。

//创建Socket对象
Socket socket=new Socket("127.0.0.1",502);

//根据输入输出流和服务端连接
OutputStream outputStream=socket.getOutputStream();//获取一个输出流，向服务端发送信息
byte[] sendInfo = new byte[] { 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x06,0x01,0x03,0x00, 0x64, 0x00, 0x01 };  //发送给Modbus软件的消息
outputStream.write(sendInfo);
outputStream.flush();

InputStream inputStream=socket.getInputStream();//获取一个输入流，接收服务端的信息
byte[] bs = new byte[32];
inputStream.read(bs);
String res1=printHexString(bs);  //输出十六进制，调用刚刚的转换函数
System.out.println(res1);
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WireShark对应的详情：（十六进制与ascii码）
主站询问=client发出的tcp报文

从站应答=client收到的报文

在IntelliJ中的逐步调试情况：

其中，要注意的是字节的存放顺序：

大端模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中（正序）；小端模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位,，保存在内存的高地址中（逆序）。
所以，上图中捕获的59139和e7 03实际为十进制999和其十六进制03e7的小端存储结果。到此，已成功取出想要的RW数值。

最后记得关闭对应的资源和异常处理（万能的`Exception e`）：

//关闭相对应的资源
socket.shutdownOutput();//关闭输出流
inputStream.close();
outputStream.close();
socket.close();
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