深入了解Modbus TCP协议

Modbus总线有三种协议：Modbus RTU协议、Modbus ASCII协议和Modbus TCP协议，Modbus总线活跃在工业通信领域。Modbus RTU和Modbus ASCII擅长串行通信，比如基于RS485或者RS232的通信，而Modbus TCP则擅长基于以太网的通信。由于底层所使用的结构不同，Modbus的应用数据单元（Application Data Unit，ADU）有所不同。你可能并去清楚什么是ADU，昌晖仪表下面来详细介绍。

为了进行通信，Modbus规定了一种很简单的数据结构，被称为“协议数据单元”（Protocol Data Unit，PDU）。协议数据单元由功能码+数据构成，如下面这张图：

功能码的长度为1个字节，它表示要执行的功能。比如常见的：01读取线圈；02读取离散量输入值；03读取保持寄存器值；05写单个线圈等；数据部分的长度为0-252个字节，它表示要读的地址或者要写入的值，不同的功能码对应的数据有所不同。比如01功能码，其数据为4个字节，其中前两个字节表示要读取的线圈的地址，后两个字节表示要读取线圈的数量；而对于05功能码，其数据也是4个字节，前两个字节表示要写入线圈的地址，后面两字节表示要写入的值。

协议数据单元有三种类型：请求型协议数据单元（Request PDU）、应答型协议数据单元（Response PDU）、及异常应答型协议数据单元（Exception Response PDU），更多关于协议数据单元的内容，大家可以去Modbus官网（）下载通信规范好好阅读。

协议数据单元是Modbus的通用数据结构，它与底层物理结构无关，Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP都使用相同的协议数据单元。但是，Modbus在通信的时候，总要依赖物理网络。因此要把协议数据单元映射到物理网络上，这就形成了应用数据单元（Application Data Unit，ADU）。由于底层网络的不同，Modbus TCP跟Modbus RTU和Modbus ASCII的应用数据单元是不同的，Modbus RTU和Modbus ASCII的ADU结构如下图所示：

而Modbus TCP的ADU结构如下：

可以看到，Modbus TCP的应用数据单元是在协议数据单元的基础上，添加了一个叫做“MBAP头（MBAP Header）”的结构。MBAP是英文“ModBus APlication”的缩写，即“应用数据单元”的意思。

MBAP头结构由7个字节构成，如下表所示：

其中：

◆传输标识符：用于标识应用数据单元，即请求和应答之间的配对；客户端对该部分进行初始化，服务器端将其拷贝到自己的ADU中；

◆协议标识符：系统间的协议标识，0=Modbus；

◆长度：接下来要发送的数据长度，即：单元标识符+PDU的总长度，以字节为单位；

◆单元标识符：用于系统间的站寻址，比如在以太网+串行链路的网络中，远程站的地址；

这就是Modbus TCP的ADU结构，即：MBAP头+PDU，是不是很简单呢？Modbus TCP的数据传输采用的是一种被称为“客户端/服务器”的模式，这也是上面的表格中会出现客户端/服务器功能描述的原因。其实，很多网络通信都采用的这种方式，比如大名鼎鼎的西门子的S7通信协议。在串行链路中，这种方式也称为主-从通信。

说道这里，大家可能会有一个疑惑。因为Modbus在网络通信中，通常需要写明IP地址和端口号，为什么Modbus TCP的ADU中没有相关的内容呢？

哈哈，其实这是因为Modbus TCP是一个应用层的协议，而你说的IP地址和端口号属于传输层/网络层的协议。还没明白，好吧，看看这张图：

你看，在逻辑上Modbus TCP是在TCP层上的。在发送数据的时候，Modbus TCP的应用数据单元首先向下传送给传输层，加上TCP协议的报文；再传送给网络层，加上IP协议的报文；再向下传送给数据链路层及物理层；接收的过程正好相反，从物理层一层一层的去掉相应层的报文，最终到达应用层。所以在使用Modbus TCP进行数据传输的时候，是要配合TCP/IP协议来使用的。通常如果你使用电脑编程，就要用到SOCKET技术；如果是使用plc编程，通常厂家已经把底层通信封装成库指令了，你只要直接调用就好了。比如西门子S7-200 SMART/1200/1500等PLC都有现成的Modbus-TCP指令库。偷偷告诉你一声，昌晖仪表后续会写基于PLC和基于PC的Modbus-TCP通信的文章。

还有一点要特别说明一下，Modbus TCP使用的端口号是502，一定要给Modbus TCP预留好，不能被别人占用哦。