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Modbus 驱动深度优化技术规格书

1. 核心架构升级

在保持 simonvetter/modbus 底层库不变的前提下，通过上层封装实现智能调度与自适应机制。

1.1 模块划分

• TransportLayer: 负责 TCP 连接管理、长连接维护、心跳保活、自动重连（基于 simonvetter 库封装）。
• SmartScheduler: 负责自适应调度、批量优化、地址合并、流量控制。
• ProtocolEngine: 负责数据编解码、零拷贝解析、类型转换。
• ReliabilityManager: 负责熔断保护、故障恢复、智能探测。
• MetricsCollector: 负责全维度指标监控与统计。

2. 详细设计方案

2.1 连接管理 (Connection Management)

• 单一长连接:
  • 每个采集通道（Channel）仅维护一个 modbus.Client 实例。
  • 所有下属设备（Device）共享此连接，通过 SetSlaveID 切换上下文。
  • 禁用 simonvetter 库内部的自动重连（如果可能），或在上层实现更精细的退避策略。
• 指数退避重连:
  • 在 Transport 层封装 Connect 方法。
  • 失败时执行退避：wait = min(max_wait, base * 2^retry_count)。
  • 初始间隔 1s，最大 300s。

2.2 智能探测 (Intelligent Probing)

• MTU 探测:
  • 连接建立后，二分法尝试读取 [32, 125] 个寄存器。
  • 确定当前链路的最大 PDU 长度，设置 MaxBatchSize。
• 有效区间探测:
  • 基于配置的点位地址，向前后尝试读取，构建 ValidAddressMap。
  • 避免无效地址导致的读取失败。
• 响应时间建模:
  • 记录不同 BatchSize 下的 RTT。
  • 用于调度器决策最佳批量大小。

2.3 批量读取优化 (Batch Optimization)

• AIMD 算法:
  • 动态调整 BatchSize。
  • 成功率 > 95% 且延迟低 -> BatchSize += 8。
  • 失败或超时 -> BatchSize *= 0.75。
• 动态合并:
  • 对排序后的点位进行分组。
  • Gap <= DynamicThreshold 时合并请求。

2.4 数据解析 (Zero-Copy Decoding)

• 零拷贝实现:
  • 直接操作 []byte，使用 binary.BigEndian。
  • 避免 bytes.Reader 和切片拷贝。
• 全类型支持:
  • 优化所有 16 种数据格式的解析路径。

2.5 自适应调度 (Adaptive Scheduling)

• 动态采集间隔:
  • 目标负载率 30%-50%。
  • NextInterval 根据 LastDuration 动态计算。
• 背压控制:
  • 数据处理队列积压时，主动延长采集间隔。

2.6 熔断保护 (Circuit Breaker)

• 点位级: 连续 3 次失败 -> 熔断 5 分钟。
• 设备级: 失败率 > 50% -> 降级模式。

2.7 监控指标 (Metrics)

• Counter: tx_total, rx_total, errors_total.
• Gauge: connected, latency, batch_size.
• Histogram: response_time.

3. 接口变更

• ModbusDriver 内部结构调整，引入 Transport 和 Scheduler 接口。
• 配置文件 DriverConfig 增加优化参数（默认关闭或自动模式）。

4. 兼容性说明

• 完全兼容现有 channels.yaml。
• 如果需要可以增加 Modbus-TCP 配置项目(那么UI也需要调整)
• 对外 API 保持不变。