手把手教你手撸通讯协议(一) S7协议解析

1、理论知识

数据流方向：

下面这个图很清晰的解释数据包是怎么从网卡一路到应用程序的。

当网卡接收到来自外部调解好的电平信号，网卡将电信号转化为数据缓存到网卡缓存区，然后通过DMA协议将数据同步到内存区域中，CPU直接访问内存，将网卡的数据进行截取，并将截取好的数据发送到应用程序进行拆包解析。

2、协议封装

以上图为例：

由于TCP协议需要各种校验、确认，涉及的知识点有点多，暂时图中以UDP协议为例，其实以太网的协议类似于俄罗斯套娃，从用户层的数据包，到传输层是加上了UDP在传输层的协议头：UDPhdr，然后网络层再在这个帧上加上了一个ip协议头：iphdr；而后到链路层，又加上了ether_hdr协议头，最终通过物理层将数据转化成电平或者光信号传递出去。

接下去，我们用代码实现一个udp包怎么打包并发送，来深入理解网络是怎么工作的。

首先我们创建一个用户的数据包：body[0];

链路层还未产生ip地址，所以链路层的地址发现主要以mac地址的方式进行通讯，mac的地址长度为6 bytes；链路层的协议主要由2个bytes确定：

接下来我们要进行网络层的网络头进行打包：

网络层比链路层复杂很多，此时需要产生ip地址，也包含了很多功能。网络层的主要架构如下图所示：

代码如下：

主要包含了版本号，首部长度，服务类型，字节数，标识，标志，片偏移，生存时间（TTL）,协议，首部校验和，源IP地址，目的IP地址，选项，数据等格式。

在传输层中，产生了端口号：如常见的102端口、80端口、3306端口、44818端口、502端口。

3、数据解析

以下以西门子的S7协议为例，S7协议与上位机通讯主要基于可靠的TCP协议。以下包主要包含了从第五层到第七层的详细数据解析。

读取数据发送报文

• TPKT（第五层：会话层）
• 该层总共占4个字节：
• 版本号：0x03
• 预留：0x00
• 长度：0x001F
• COTP（第六层：表示层）
• 该层总共占3个字节：
• 长度：0x02
• PDU类型（DT Data）：0XF0
• 目标引用：0x80
• S7Communication（第七层：应用层）
• 该层总用占24个字节，并且分两部分：
• Header：
• 协议ID（Protocol ID）：0x32
• Ack_Data：0x01
• 预留：0x0000
• 协议数据单元引用：0x037D
• 参数长度：0x000E
• 数据长度：0x0000
• Parameter：
• 功能码Read Var：0x04
• 通信项数：0x01
• 通信项1：
• 通信项Header
• 变量指定：0x12
• 地址长度：0x0A
• SyntaxID:0x10
• 传输数据类型byte：0x02
• 通信项Param
• 读取长度：0x04
• DB号：0x01
• 存储区类型DB存储区：0x84
• 开始字节：0x000000

返回帧：

报文说明：

• TPKT（第五层：会话层）
• 该层总共占4个字节：
• 版本号：0x03
• 预留：0x00
• 长度：0x001D
• COTP（第六层：表示层）
• 该层总共占3个字节：
• 长度：0x02
• PDU类型（DT Data）：0XF0
• 目标引用：0x80
• S7Communication（第七层：应用层）
• 该层总用占22个字节，并且分两部分：
• Header：
• 协议ID（Protocol ID）：0x32
• Ack_Data：0x03
• 预留：0x0000
• 协议数据单元引用：0x037D
• 参数长度：0x0002
• 数据长度：0x0008
• 错误等级：0x00
• 错误代码：0x00
• Parameter：
• 功能码Read Var：0x04
• 通信项数：0x01
• 通信项1：
• 返回结果Success：0xFF
• 传输数据类型Byte/Word/DWord：0x04
• 长度：0x0020
• 数据：0x00000000
• 该返回报文说明读取的4个字节数值均为0

解包的实现代码：

其实做工业协议的解析都是按照规则一步一步进行拆解。

下次讲解TCP协议栈的实现。

2022年1月

作者简介

Borje Zhou：

一个机械设计起身的自动化工程师，励志为自动化行业贴砖加瓦。