tcp/ip、以太网、mqtt、modbus/tcp复习

1.osi参考模型

modbus是应用层报文传输协议，没有规定物理层，只规定了协议帧，但是定义了控制器能够认识和使用的消息结构，不管它们是经过何种网络进行通信的，具有很强的适应性。

一主多从，同一时间主机只能向一个从机发送请求，如果主机没有像从机发送请求，从机不能主动发送数据给主机。

modbus没有忙判断，也就是说如果主机向从机发送请求，这时候从机正在处理别的任务或者没有收到，这时候不会响应主机，这是因为modbus只管传输数据，没有仲裁机制，需要通过软件方式判断是否正常接收。

modbus存储区分为四种，对应四种读取模式，输入线圈，输出线圈，输入寄存器，保持寄存器。输入线圈是只读布尔量，输出线圈是可读可写布尔量，输入寄存器是只读寄存器，保持寄存器是可读可写寄存器。

区号	名称	读写	地址范围
0区	输出线圈	可读可写布尔量	00001-09999
1区	输入线圈	只读布尔量	10001-19999
3区	输入寄存器	只读寄存器	30001-39999
4区	保持寄存器	可读可写寄存器	40001-49999

主机向从机获取数据时，发送需要的数据起始地址，和数据长度，从机就会发送相对应的数据。

3.modbus传输模式ascii、rtu、tcp

modbus在串行链路上可以选择rtu或者ascii传输模式进行数据传输，rtu是通过16进制表示数据，ascii通过ascii码表示数据，每个8bit分成两个ascii码位表达数据，使用rtu传输时需要进行crc循环冗余校验，ascii需要进行lrc纵向冗余校验。当使用以太网进行数据传输时，选择tcp模式进行传输，tcp模式不需要校验，因为tcp模式是面向链接的可靠协议。

4.modbus rtu

modbus规定了二十多种功能码，常用的也就是下面8种。

功能码	功能说明
01H	读取输出线圈
02H	读取输入线圈
03H	读取保持寄存器
04H	读取输入寄存器
05H	写入单线圈
06H	写入单寄存器
0FH	写入多线圈
10H	写入多寄存器

数据帧包括了从站地址、功能码、数据、crc校验

从机地址占一个字节-8位，因此可以表示2的8次方也就是256个设备，0-255，但是一般从机设备只能用1-254,从机地址写255也就是全写1的话表示广播信号，就是给所有的从站发送数据帧。

功能码一般占1字节大小-8位

数据没有固定长度

crc校验位一般占2字节数据-16位。

crc校验就是当主机给从机发送数据之前，根据从机地址到数据结束，计算出一个crc校验码，把这个crc校验码放在数据真的最末尾，当从机接收到主机发送的数据之后，根据主机发送来的数据，也用相同的方法计算出对应的crc校验码。然后和接收到的crc校验码相比较，如果相同，则证明发送的数据没有问题。

5.modbus ascii

modbus ascii数据帧包括起始符从机地址功能码数据校验结束符

起始符占一个字节

从机地址占两个字节

功能码占一个字节

数据占n个字节

校验占两个字节

结束符两个字节

可以看到相比rtu来说，数据帧更加繁琐，因此一般我们用modbus rtu。

modbus ascii用起始符和结束符作为分隔数据帧的标志，而modbus rtu没有这样的设计，modbus rtu需要时间间隔来分隔数据帧，一般两个数据帧之间至少间隔3.5个字符周期长度，否则就会发生粘包现象。

粘包就是从机无法分清出每个独立的数据包。

6.modbus tcp

和modbus ascii相比，modbus tcp数据帧没有从机地址和校验位，反而在功能码之前多了一个mbap报文头。

最大数据长度260个字节。这个长度是mbap报文头里的长度位控制的，2的八次方256再加上长度控制符前面的四个字节就是260个字节。

事物处理标识箱：可以理解为报文的序列号，用于区别其他报文。

协议标识符：在这里0x00 0x00代表modbus协议

长度：长度表示从现在起到数据帧结束所有数据的长度大小。

单元标识符：类似于modbus rtu 、modbus ascii的从机地址，用来指示数据帧的目标地址。

7.tcp/ip协议

tcp/ip的应用层有http、ftp等，应用层是直接给用户使用的接口，传输层有tcp和udp，udp是不可靠的链接，tcp是面向链接的可靠服务，网络层中主要有ip、icmp，主要负责网络中的数据包传送，数据链路层有arp、rarp，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与传输媒介（如电缆或其他物理设备）的物理接口细节。

传输层：tcp、udp提供流量控制、差错控制，qos-服务质量等管理服务。

总的来说，tcp传输速度较低但是可靠性强，udp传输速度快但是可靠性较弱，是一个尽力传输的不可靠协议。

网络层：ip、icmp提供拥塞控制、网际互联等服务。

链路层：链路层又称数据链路层和网络接口层。用来处理网络的硬件接口部分。传输单位bit。

MAC地址具有唯一性：48位，厂家生产产品的时候，前24位1一般是制造商，后24位是系列号，由厂家自己分配，和身份证一样，在网络世界中是唯一的。

为什么不能用mac地址作为网关转发数据的依据？

因为mac地址是各个厂家自己分配的，如果需要作为网关进行数据的转发，那么需要这个mac地址的前几位相同，这样才能作为转发的依据，但是这显然是不现实的，在现实世界中，如果想这样做，要么你规定每片网络下都是同一厂家生产的设备，要么你规定厂家生产设备时，按照你的规则来生产mac地址。这显然是不可能的。

因此：ip地址应运而生。ip地址是32位的，定义在软件层面上，可以更改，mac是硬件层面上的，出厂时烧录在eprom上。

子网掩码：当我们给不在同一子网下的设备发送数据的时候，怎么知道他是否和我们的设备是不是在一个子网下呢。这就需要用到子网概念，发送数据包的时候，我们需要知道源ip和目标ip，这两个ip分别和提前设置好的子网掩码做与操作，如果与操作结果相同，则证明在同一片子网下，则不用发送给路由器，而是直接发送给交换机进行数据传输，如果与操作结果不同，则需要先把数据发送到路由器，经过路由器的转发才能实现数据传输。

默认网关：现在要把数据发送给不同子网下的设备，要先经过路由器，但是我们怎么知道路由器的ip地址呢，这时候就要用到默认网关，默认网关是提前设置在设备中的ip，也就是路由器的ip。

路由表：现在我们要把数据发送到不同子网下，可以实现发送到路由器了，但是路由器怎么知道把数据通过哪个网口进行转发呢，这时候就要用到路由表了，路由表记录着ip的前n位和端口的一一对应关系，路由表是在路由器记录的。和mac表类似，mac表记录着设备mac地址和集线器也就是交换机中端口的一一对应关系，mac表存在集线器/交换机中。

现在我要发送数据到别的设备，只知道ip地址怎么办呢，这时候要用arp缓存表。arp缓存表存着ip和mac地址的一一对应关系。

一开始这个表是空的，为了获得别的设备的mac地址，会先广播一条arp请求，接收到arp请求的设备会相应请求，发送自己的mac到源设备，这时候两边的设备会互相记录对方的ip和mac。这样多次请求之后会把arp缓存表补充完整。

在同一子网就直接获取对方mac地址；不在同一子网就获取默认网关的mac地址。