Modbus
Das Modbus-Protokoll ist ein Kommunikationsprotokoll, das auf einer Client/Server-Architektur basiert. Es wurde 1979 von Gould-Modicon für die Kommunikation mit seinen speicherprogrammierbaren Steuerungen ins Leben gerufen.[1] In der Industrie hat sich der Modbus zu einem De-facto-Standard entwickelt, da es sich um ein offenes Protokoll handelt. Seit 2007 ist die Version Modbus/TCP Teil der Norm IEC 61158.
Grundlagen
Mittels Modbus können ein Client (z. B. ein PC; früher als Master bezeichnet) und mehrere Server (z. B. Mess- und Regelsysteme; früher als Slave bezeichnet) verbunden werden. Es gibt zwei Versionen: Eine für die serielle Schnittstelle (EIA-232 und EIA-485)[2] und eine für Ethernet.
Bei der Datenübertragung werden drei verschiedene Betriebsarten unterschieden:
- Modbus/RTU
- Modbus/ASCII
- Modbus/TCP
Jeder Busteilnehmer muss eine eindeutige Adresse besitzen. Die Adresse 0 ist dabei für einen Broadcast reserviert. Jeder Teilnehmer darf Nachrichten über den Bus senden. In der Regel wird dies jedoch durch den Client initiiert und ein adressierter Server antwortet.
Lese- und Schreibzugriffe sind auf folgende Objekttypen möglich:
| Objekttyp | Zugriff | Größe | Funktionscode |
|---|---|---|---|
| Einzelner Ein-/Ausgang „Coil“ | Lesen & Schreiben | 1-bit | 01 / 05 / 15 |
| Einzelner Eingang „Discrete Input“ | nur Lesen | 1-bit | 02 |
| (analoge) Eingänge „Input Register“ | nur Lesen | 16-bits | 04 |
| (analoge) Ein-/Ausgänge „Holding Register“ | Lesen & Schreiben | 16-bits | 03 / 06 / 16 |
Modbus/RTU
Modbus RTU (RTU: Remote Terminal Unit, Fernbedienungsterminal) überträgt die Daten in binärer Form. Dies sorgt für einen guten Datendurchsatz, allerdings können die Daten nicht direkt vom Menschen ausgewertet werden, sondern müssen zuvor in ein lesbares Format umgesetzt werden.
Protokollaufbau[2]
Im RTU-Modus wird der Sendebeginn durch eine Sendepause von mindestens der 3,5-fachen Zeichenlänge markiert. Ein Zeichen hat eine Länge von 11 Bit. Die Länge der Sendepause hängt somit von der Übertragungsgeschwindigkeit ab. Dies muss bei niedrigen Datenraten exakt eingehalten werden. Bei einer Bitrate von mehr als 19200 bit/s kann eine feste Pausenzeit von 1,75 ms verwendet werden. Das Adressfeld besteht aus acht Bit, die die Empfängeradresse darstellen. Der Server sendet bei seiner Antwort an den Client ebendiese Adresse zurück, damit der Client die Antwort zuordnen kann. Das Funktionsfeld besteht aus 8 Bit. Hat der Server die Anfrage des Client korrekt empfangen, so antwortet er mit demselben Funktionscode. Ist ein Fehler aufgetreten, so verändert er den Funktionscode, indem er das höchstwertige Bit des Funktionsfeldes auf 1 setzt. Das Datenfeld enthält Hinweise, welche Register der Server auslesen soll, und ab welcher Adresse diese beginnen. Der Server setzt dort die ausgelesenen Daten (z. B. Messwerte) ein, um sie an den Client zu senden. Im Fehlerfall wird dort ein Fehlercode übertragen. Das Feld für die Prüfsumme, die mittels CRC ermittelt wird, beträgt 16 Bit. Das gesamte Telegramm muss in einem kontinuierlichen Datenstrom übertragen werden. Tritt zwischen zwei Zeichen eine Sendeunterbrechung auf, die länger als 1,5 Zeichen ist, so ist das Telegramm als unvollständig zu bewerten und sollte vom Empfänger verworfen werden.
| Start | Adresse | Funktion | Daten | CR-Check | Ende |
|---|---|---|---|---|---|
| Wartezeit (min. 3,5 Zeichen) | 1 Byte | 1 Byte | n Byte | 2 Byte | Wartezeit (min 3,5 Zeichen) |
Modbus/ASCII
Im Modbus ASCII wird keine Binärfolge, sondern ASCII-Code übertragen. Dadurch ist es direkt für den Menschen lesbar, allerdings ist der Datendurchsatz im Vergleich zu RTU geringer.
Protokollaufbau
Im ASCII-Modus beginnen Nachrichten mit einem vorangestellten Doppelpunkt, das Ende der Nachricht wird durch die Zeichenfolge Carriage return – Line feed (CRLF) markiert.
Die ersten zwei Bytes enthalten zwei ASCII-Zeichen, die die Adresse des Empfängers darstellen. Der auszuführende Befehl ist auf den nächsten zwei Bytes codiert. Über weitere n Zeichen folgen die Daten. Über das gesamte Telegramm (ohne Start- und Ende-Markierung) wird zur Fehlerprüfung ein LRC ausgeführt, dessen Paritätsdatenwort in den abschließenden zwei Zeichen untergebracht wird. Tritt während der Übertragung eines Frames eine Pause von > 1 s auf, wird der Frame als Fehlerfall bewertet. Der Benutzer kann ein längeres Timeout konfigurieren.
| Start | Adresse | Funktion | Daten | LR-Check | Ende |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 Zeichen (:) | 2 Zeichen | 2 Zeichen | n Zeichen | 2 Zeichen | 2 Zeichen (CRLF) |
Modbus/TCP
Modbus/TCP ist RTU sehr ähnlich, allerdings werden TCP/IP-Pakete verwendet, um die Daten zu übermitteln.[3][4] Der TCP-Port 502 ist für Modbus/TCP reserviert. Modbus/TCP ist seit 2007 in der Norm IEC 61158 festgelegt und wird in IEC 61784-2 als CPF 15/1 referenziert.
Protokollaufbau
| Transaktionsnummer | Protokollkennzeichen | Zahl der noch folgenden Bytes | Adresse | Funktion | Daten |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 Byte | 2 Byte (immer 0x0000) | 2 Byte (n + 2) | 1 Byte | 1 Byte | n Byte |
Dadurch, dass hier keine CRC-Prüfsummenbytes zu berechnen sind, ist die Implementierung eines Treibers für die TCP-Schnittstelle einfacher als für die serielle Schnittstelle, sofern man auf eine vorhandene TCP-Implementierung aufsetzen kann.
Modbus/TCP Security Protocol
Im Oktober 2018 wurde eine sichere Variante Modbus/TCP Protokoll auf Basis Transport Layer Security (TLS) veröffentlicht[5]. Diese nutzt X.509v3 digitale Zertifikate zur Authentifizierung von Server und Client. Damit sollen Angriffe auf vernetzte Modbus/TCP-Komponenten (z. B. Man-in-the-Middle-Angriffe) verhindert werden. Das sichere Modbus/TCP bietet auch eine rollenbasierte Zugriffssteuerung. Es nutzt den TCP-Port 802. Das Protokoll wird in der MODBUS/TCP Security Protocol Specification[6] beschrieben.
Weblinks
- Modbus-IDA Independent User Organization, mit detaillierten Spezifikationen (englisch)
- Modbus-Spezifikation über serielle Leitung (englisch, PDF; 326 kB), mit Data-Link Layer und physischem Layer (auch Steckerbelegung)
- Modbus-Bibliothek in C, Quelloffen und mit Dokumentation (englisch)
- Modbus-Bibliotheken für .NET, Java und Python, mit Dokumentation und Codebeispielen
- Modbus asynchronen Kommunikation für .NET, .NET-basierte Modbus-API zur asynchronen Kommunikation mit Modbus-Slaves.
Einzelnachweise
- Modbus – Kommunikationsprotokoll für die Industrie. KUNBUS, abgerufen am 9. September 2020.
- Modbus Organization, Inc.: MODBUS over Serial Line - Specification and Implementation Guide. Modbus Organization, Inc., abgerufen am 27. März 2020 (englisch).
- MODBUS Messaging on TCP/IP Implementation Guide V1.0b auf ModBus.org (pdf, 790 kB) vom 10. März 2020, abgerufen am 31. Mai 2022
- Modbus TCP – Kommunikationsmodul. KUNBUS, abgerufen am 9. September 2020.
- Modbus Organization, Inc.: PRESS RELEASE Modbus Security – New Protocol to Improve Control System Security. Modbus Organization, Inc., 29. Oktober 2018, abgerufen am 25. Januar 2019 (englisch).
- Modbus Organization, Inc.: MODBUS/TCP Security Protocol Specification. Modbus Organization, Inc., abgerufen am 25. Januar 2019 (englisch).