Modbus TCP協議簡介

Modbus總線有三種協議：Modbus RTU協議、Modbus ASCII協議和Modbus TCP協議，Modbus總線活躍在工業通信領域。Modbus RTU和Modbus ASCII擅長串行通信，比如基于RS485或者RS232的通信，而ModbusTCP則擅長基于以太網的通信。由于底層所使用的結構不同，Modbus的應用數據單元(Application Data Unit，ADU)有所不同。請看以下的詳細介紹。 為了進行通信，Modbus規定了一種很簡單的數據結構，被稱為“協議數據單元”(Protocol Data Unit，PDU)。協議數據單元由功能碼 數據構成，如下圖：

功能碼的長度為1個字節，它表示要執行的功能。比如常見的：01讀取線圈；02讀取離散量輸入值；03讀取保持寄存器值；05寫單個線圈等；數據部分的長度為0-252個字節，它表示要讀的地址或者要寫入的值，不同的功能碼對應的數據有所不同。比如01功能碼，其數據為4個字節，其中前兩個字節表示要讀取的線圈的地址，后兩個字節表示要讀取線圈的數量；而對于05功能碼，其數據也是4個字節，前兩個字節表示要寫入線圈的地址，后面兩字節表示要寫入的值。 協議數據單元有三種類型：請求型協議數據單元(Request PDU）、應答型協議數據單元(Response PDU)、及異常應答型協議數據單元(Exception Response PDU)。 協議數據單元是Modbus的通用數據結構，它與底層物理結構無關，Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP都使用相同的協議數據單元。但是，Modbus在通信的時候，總要依賴物理網絡。因此要把協議數據單元映射到物理網絡上，這就形成了應用數據單元(Application Data Unit，ADU)。由于底層網絡的不同，Modbus TCP跟Modbus RTU和Modbus ASCII的應用數據單元是不同的，Modbus RTU和Modbus ASCII的ADU結構如下圖所示：

而Modbus TCP的ADU結構如下：

可以看到，Modbus TCP的應用數據單元是在協議數據單元的基礎上，添加了一個叫做“MBAP頭(MBAP Header)”的結構。MBAP是英文“ModBus APlication”的縮寫，即“應用數據單元”的意思。 MBAP頭結構由7個字節構成，如下表所示：

其中： ◆傳輸標識符：用于標識應用數據單元，即請求和應答之間的配對；客戶端對該部分進行初始化，服務器端將其拷貝到自己的ADU中； ◆協議標識符：系統間的協議標識，0=Modbus； ◆長度：接下來要發送的數據長度，即：單元標識符 PDU的總長度，以字節為單位； ◆單元標識符：用于系統間的站尋址，比如在以太網 串行鏈路的網絡中，遠程站的地址； 這就是Modbus TCP的ADU結構，即：MBAP頭 PDU，是不是很簡單呢？Modbus TCP的數據傳輸采用的是一種被稱為“客戶端/服務器”的模式，這也是上面的表格中會出現客戶端/服務器功能描述的原因。其實，很多網絡通信都采用的這種方式，比如西門子的S7通信協議。在串行鏈路中，這種方式也稱為主-從通信。 在Modbus在網絡通信中，通常需要寫明IP地址和端口號，為什么Modbus TCP的ADU中沒有相關的內容呢？ 其實這是因為Modbus TCP是一個應用層的協議，通常意義上的IP地址和端口號屬于傳輸層/網絡層的協議：

在邏輯上Modbus TCP是在TCP層上的。在發送數據的時候，Modbus TCP的應用數據單元首先向下傳送給傳輸層，加上TCP協議的報文；再傳送給網絡層，加上IP協議的報文；再向下傳送給數據鏈路層及物理層；接收的過程正好相反，從物理層一層一層的去掉相應層的報文，最終到達應用層。所以在使用Modbus TCP進行數據傳輸的時候，是要配合TCP/IP協議來使用的。使用電腦編程，就要用到SOCKET技術；如果是使用PLC編程，通常廠家已經把底層通信封裝成庫指令了，可直接調用。Modbus TCP使用的端口號是502需要為Modbus TCP預留。