深入了解Modbus TCP協(xié)議

Modbus總線(xiàn)有三種協(xié)議：Modbus RTU協(xié)議、Modbus ASCII協(xié)議和Modbus TCP協(xié)議，Modbus總線(xiàn)活躍在工業(yè)通信領(lǐng)域。Modbus RTU和Modbus ASCII擅長(zhǎng)串行通信，比如基于RS485或者RS232的通信，而Modbus TCP則擅長(zhǎng)基于以太網(wǎng)的通信。由于底層所使用的結(jié)構(gòu)不同，Modbus的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（Application Data Unit，ADU）有所不同。你可能并去清楚什么是ADU，昌暉儀表下面來(lái)詳細(xì)介紹。

為了進(jìn)行通信，Modbus規(guī)定了一種很簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)為“協(xié)議數(shù)據(jù)單元”（Protocol Data Unit，PDU）。協(xié)議數(shù)據(jù)單元由功能碼+數(shù)據(jù)構(gòu)成，如下面這張圖：

功能碼的長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，它表示要執(zhí)行的功能。比如常見(jiàn)的：01讀取線(xiàn)圈；02讀取離散量輸入值；03讀取保持寄存器值；05寫(xiě)單個(gè)線(xiàn)圈等；數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度為0-252個(gè)字節(jié)，它表示要讀的地址或者要寫(xiě)入的值，不同的功能碼對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)有所不同。比如01功能碼，其數(shù)據(jù)為4個(gè)字節(jié)，其中前兩個(gè)字節(jié)表示要讀取的線(xiàn)圈的地址，后兩個(gè)字節(jié)表示要讀取線(xiàn)圈的數(shù)量；而對(duì)于05功能碼，其數(shù)據(jù)也是4個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)表示要寫(xiě)入線(xiàn)圈的地址，后面兩字節(jié)表示要寫(xiě)入的值。

協(xié)議數(shù)據(jù)單元有三種類(lèi)型：請(qǐng)求型協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Request PDU）、應(yīng)答型協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Response PDU）、及異常應(yīng)答型協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Exception Response PDU），更多關(guān)于協(xié)議數(shù)據(jù)單元的內(nèi)容，大家可以去Modbus官網(wǎng)（）下載通信規(guī)范好好閱讀。

協(xié)議數(shù)據(jù)單元是Modbus的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它與底層物理結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP都使用相同的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。但是，Modbus在通信的時(shí)候，總要依賴(lài)物理網(wǎng)絡(luò)。因此要把協(xié)議數(shù)據(jù)單元映射到物理網(wǎng)絡(luò)上，這就形成了應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（Application Data Unit，ADU）。由于底層網(wǎng)絡(luò)的不同，Modbus TCP跟Modbus RTU和Modbus ASCII的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元是不同的，Modbus RTU和Modbus ASCII的ADU結(jié)構(gòu)如下圖所示：

而Modbus TCP的ADU結(jié)構(gòu)如下：

可以看到，Modbus TCP的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元是在協(xié)議數(shù)據(jù)單元的基礎(chǔ)上，添加了一個(gè)叫做“MBAP頭（MBAP Header）”的結(jié)構(gòu)。MBAP是英文“ModBus APlication”的縮寫(xiě)，即“應(yīng)用數(shù)據(jù)單元”的意思。

MBAP頭結(jié)構(gòu)由7個(gè)字節(jié)構(gòu)成，如下表所示：

其中：

◆傳輸標(biāo)識(shí)符：用于標(biāo)識(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，即請(qǐng)求和應(yīng)答之間的配對(duì)；客戶(hù)端對(duì)該部分進(jìn)行初始化，服務(wù)器端將其拷貝到自己的ADU中；

◆協(xié)議標(biāo)識(shí)符：系統(tǒng)間的協(xié)議標(biāo)識(shí)，0=Modbus；

◆長(zhǎng)度：接下來(lái)要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，即：?jiǎn)卧獦?biāo)識(shí)符+PDU的總長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位；

◆單元標(biāo)識(shí)符：用于系統(tǒng)間的站尋址，比如在以太網(wǎng)+串行鏈路的網(wǎng)絡(luò)中，遠(yuǎn)程站的地址；

這就是Modbus TCP的ADU結(jié)構(gòu)，即：MBAP頭+PDU，是不是很簡(jiǎn)單呢？Modbus TCP的數(shù)據(jù)傳輸采用的是一種被稱(chēng)為“客戶(hù)端/服務(wù)器”的模式，這也是上面的表格中會(huì)出現(xiàn)客戶(hù)端/服務(wù)器功能描述的原因。其實(shí)，很多網(wǎng)絡(luò)通信都采用的這種方式，比如大名鼎鼎的西門(mén)子的S7通信協(xié)議。在串行鏈路中，這種方式也稱(chēng)為主-從通信。

說(shuō)道這里，大家可能會(huì)有一個(gè)疑惑。因?yàn)镸odbus在網(wǎng)絡(luò)通信中，通常需要寫(xiě)明IP地址和端口號(hào)，為什么Modbus TCP的ADU中沒(méi)有相關(guān)的內(nèi)容呢？

哈哈，其實(shí)這是因?yàn)镸odbus TCP是一個(gè)應(yīng)用層的協(xié)議，而你說(shuō)的IP地址和端口號(hào)屬于傳輸層/網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議。還沒(méi)明白，好吧，看看這張圖：

你看，在邏輯上Modbus TCP是在TCP層上的。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，Modbus TCP的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元首先向下傳送給傳輸層，加上TCP協(xié)議的報(bào)文；再傳送給網(wǎng)絡(luò)層，加上IP協(xié)議的報(bào)文；再向下傳送給數(shù)據(jù)鏈路層及物理層；接收的過(guò)程正好相反，從物理層一層一層的去掉相應(yīng)層的報(bào)文，最終到達(dá)應(yīng)用層。所以在使用Modbus TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，是要配合TCP/IP協(xié)議來(lái)使用的。通常如果你使用電腦編程，就要用到SOCKET技術(shù)；如果是使用plc編程，通常廠(chǎng)家已經(jīng)把底層通信封裝成庫(kù)指令了，你只要直接調(diào)用就好了。比如西門(mén)子S7-200 SMART/1200/1500等PLC都有現(xiàn)成的Modbus-TCP指令庫(kù)。偷偷告訴你一聲，昌暉儀表后續(xù)會(huì)寫(xiě)基于PLC和基于PC的Modbus-TCP通信的文章。

還有一點(diǎn)要特別說(shuō)明一下，Modbus TCP使用的端口號(hào)是502，一定要給Modbus TCP預(yù)留好，不能被別人占用哦。