Modbus
Modbus是一種串行通訊協定，是Modicon公司（現在的施耐德電氣）於1979年為使用可程式化邏輯控制器（PLC）通訊而發表。Modbus已經成為工業領域通訊協定事實上的業界標準，並且現在是工業電子裝置之間常用的連接方式。[1] Modbus比其他通訊協定使用的更廣泛的主要原因有：
- 公開發表並且無著作權要求
- 易於部署和維護
- 對供應商來說，修改移動原生的位元或位元組沒有很多限制
Modbus允許多個 (大約240個) 裝置連接在同一個網絡上進行通訊，舉個例子，一個由測量溫度和濕度的裝置，並且將結果傳送給電腦。在數據採集與監視控制系統（SCADA）中，Modbus通常用來連接監控電腦和遠端終端控制系統（RTU）。
協定版本
[編輯]Modbus協定目前存在用於序列埠、乙太網路以及其他支持互聯網協定的網絡的版本。
大多數Modbus裝置通訊通過串EIA-485實體層進行[2]。
對於串行連接，存在兩個變種，它們在數值數據表示不同和協定細節上略有不同。Modbus RTU是一種緊湊的，採用二進制表示數據的方式，Modbus ASCII是一種人類可讀的，冗長的表示方式。這兩個變種都使用串行通訊（serial communication）方式。RTU格式後續的命令／數據帶有迴圈冗餘校驗的校驗和，而ASCII格式採用縱向冗餘校驗的校驗和。被組態為RTU變種的節點不會和設置為ASCII變種的節點通訊，反之亦然。
對於通過TCP/IP（例如乙太網路）的連接，存在多個Modbus/TCP變種，這種方式不需要校驗和計算。
對於所有的這三種通訊協定在數據模型和功能呼叫上都是相同的，只有封裝方式是不同的。
Modbus有一個擴充版本Modbus Plus（Modbus+或者MB+），不過此協定是Modicon專有的，和Modbus不同。它需要一個專門的協處理器來處理類似HDLC的高速權杖旋轉。它使用1Mbit/s的雙絞線，並且每個節點都有轉換隔離裝置，是一種採用轉換／邊緣觸發而不是電壓／水平觸發的裝置。連接Modbus Plus到電腦需要特別的介面，通常是支援ISA（SA85），PCI或者PCMCIA匯流排的板卡。
通訊和裝置
[編輯]Modbus協定是一個master/slave架構的協定。有一個節點是master節點，其他使用Modbus協定參與通訊的節點是slave節點。每一個slave裝置都有一個唯一的地址。在串行和MB+網絡中，只有被指定為主節點的節點可以啟動一個命令（在乙太網路上，任何一個裝置都能傳送一個Modbus命令，但是通常也只有一個主節點裝置啟動指令）。
一個ModBus命令包含了打算執行的裝置的Modbus地址。所有裝置都會收到命令，但只有指定位置的裝置會執行及回應指令（地址0例外，指定地址0的指令是廣播指令，所有收到指令的裝置都會執行，不過不回應指令）。所有的Modbus命令包含了檢查碼，以確定到達的命令沒有被破壞。基本的ModBus命令能指揮一個RTU改變它的暫存器的某個值，控制或者讀取一個I/O埠，以及指揮裝置回送一個或者多個其暫存器中的數據。
有許多modems和閘道器支援Modbus協定，因為Modbus協定很簡單而且容易複製。它們當中一些為這個協定特別設計的。有使用有線、無線通訊甚至短訊和GPRS的不同實現。不過設計者需要克服一些包括高延遲和時序的問題。
實現
[編輯]幾乎所有的實現都是官方標準的某種變體。不同的供應商裝置之間可能無法正確的通訊。一些主要的變化有：
- 資料類型
- IEEE標準的浮點數
- 32位元整型數
- 8位元數據
- 混合資料類型
- 整數中的位域
- multipliers to change data to/from integer. 10, 100, 1000, 256 ...
- 協定擴充
- 16位元的從站地址
- 32位元的數據大小（1個地址 = 返回32位元數據）
- 字交換數據
限制
[編輯]- Modbus是在1970年末為可程式化邏輯控制器通訊開發的，這些有限的資料類型在那個時代是可以被PLC理解的，大型二進制對象數據是不支援的。
- 對節點而言，沒有一個標準的方法找到數據對象的描述資訊，舉個例子，確定一個暫存器數據是否表示一個介於30-175度之間的溫度。
- 由於Modbus是一個主／從協定，沒有辦法要求裝置「報告異常」（構建在乙太網路的TCP/IP協定之上，被稱為open-mbus除外）- 主節點必須迴圈的詢問每個節點裝置，並尋找數據中的變化。在頻寬可能比較寶貴的應用中，這種方式在應用中消耗頻寬和網絡時間，例如在低速率的無線鏈路上。
- Modbus在一個數據鏈路上只能處理247個地址，這種情況限制了可以連接到主控站點的裝置數量（再一次指出乙太網路TCP/IP除外）
- Modbus傳輸在遠端通訊裝置之間緩衝數據的方式進行，有對通訊一定是連續的限制，避免了傳輸中的緩衝區漏洞的問題
- Modbus協定針對未經授權的命令或截取數據沒有安全性。[3]
Modbus 通訊協定學理上的弱點分析
[編輯]Modbus 當初設計的時候，主要着重兩點，分別是簡單－易於各項系統或是裝置上的實現與各項系統所需求的資源較低，以利降低成本， 另一則是通用－便於整合各式各樣裝置或是平台，同樣地，這樣也帶來一些缺點，從資安的角度上去解析可發現具有三個主要的弱點：
- 沒有保護機制－指令明碼傳輸(透過第三方封包側錄軟件就可以擷取封包內容，無須解密)。
- 沒有認證機制－符合規範就執行 (只要符合Modbus規範之封包傳輸便可透過第三方控制軟件監控接受端裝置)
- 有可能有實現上的問題(針對未定義參考位置輸入指令值，可能造成接收端傳輸異常進而癱瘓接收端裝置)。
參考文獻
[編輯]- ^ Drury, Bill. Control Techniques Drives and Controls Handbook
(PDF) 2nd. Institution of Engineering and Technology. 2009: 508– [2014-12-17]. （原始內容存檔於2013-11-02）.
- ^ 存档副本. [2008-12-23]. （原始內容存檔於2009-02-09）.
- ^ Palmer; Shenoi, Sujeet (編). Critical Infrastructure Protection III. Third IFIP WG 11. 10 International Conference. Hanover, New Hampshire: Springer: 87. 23–25 March 2009. ISBN 3-642-04797-1.
外部連結
[編輯]- 開源軟件
- 一個基於GNU/Linux C開發的開源Modbus庫（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- 為微控制器開發的免費的Modbus ASCII/RTU和TCP軟件（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。
- C開發。新站點位置http://www.freemodbus.org（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。商業支援版本在http://www.embedded-solutions.at（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。
- NModbus（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）是一個有例子的C#實現版本
- Perl語言開發的Protocol::Modbus
- Perl語言開發的Modbus::Client（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Ruby開發的Modbus master（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。公共領域的範例代碼，可以很容易的用其他手稿語言重新開發。