ModbusTcp協議詳解

簡介

Modbus由MODICON公司於1979年開發，是一種工業現場總線協議標準。1996年施耐德公司推出基於以太網TCP/IP的Modbus協議：ModbusTCP。

Modbus協議是一項應用層報文傳輸協議，包括ASCII、RTU、TCP三種報文類型。

標準的Modbus協議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網接口，採用master/slave方式通信。

ModbusTCP數據幀

ModbusTCP的數據幀可分爲兩部分：MBAP+PDU。

報文頭MBAP

MBAP爲報文頭，長度爲7字節，組成如下：

內容	解釋
事務處理標誌	可以理解爲報文的序列號，一般每次通信之後就要加1以區別不同的通信數據報文。
協議標識符	00 00表示ModbusTCP協議。
長度	表示接下來的數據長度，單位爲字節。
單元標識符	可以理解爲設備地址。

事務處理標誌
傳輸標識用於將請求與未來響應之間建立聯繫。因此，對TCP 連接來說，在同一時刻，這個標識符必須是唯一的。有幾種使用此標識符的方式：

• 例如：可以作爲一個帶有計數器的簡單“TCP順序號”，在每一個請求時增加計數器；
• 也可以用作智能索引或指針，來識別事務處理的內容，以便記憶當前的遠端服務器和未處理的請求。
  服務器收接受的請求數量取決於其容量，即：服務器資源量和TCP 窗口尺寸。同樣，客戶機同時啓動事務處理的數量也取決於客戶機的資源容量。這個實現參數稱爲“NnmberMaxofClientTransaction”，必須作爲MODBUS 客戶機的一個特性進行描述。根據設備的類型，此參數取值爲1～16。

單元標識符
在MODBUS或MODBUS+串行鏈路子網中對設備進行尋址時，這個域是用於路由的目的。在這種情況下，“Unit Identifier”攜帶一個遠端設備的MODBUS從站地址：

• 如果MODBUS服務器連接到MODBUS+或MODBUS串行鏈路子網，並通過一個橋或網關配置地址這個服務器，MODBUS單元標識符對識別連接到網橋或網關後的子網的從站設備是必需的。目的IP地址識別了網橋本身的地址，而網橋則使用MODBUS單元標識符將請求轉交給正確的從站設備。
• 分配串行鏈路上MODBUS從站設備地址爲1～247（10進制），地址0作爲廣播地址。
  對TCP/IP 來說，利用IP 地址尋址MODBUS 服務器；因此，MODBUS 單元標識符是無用的。必需使用值0xFF。
• 當對直接連接到TCP/IP網絡上的MODBUS服務器尋址時，建議不要在“單元標識符”域使用有效的MODBUS從站地址。在一個自動系統中重新分配IP地址的情況下，並且如果以前分配的MODBUS服務器的IP地址又被指配給網關，使用一個有效的從站地址可能會由於網關的路由不暢而引起麻煩。使用無效的從站地址，網關僅是簡單地廢棄MODBUD PDU，而不會有任何問題。建議：在採用0xFF作爲“單元標識符”的無效值。
  注：0也可以用作與MODBUS/TCP設備直接通信。

幀結構PDU

PDU由功能碼+數據組成。功能碼爲1字節，數據長度不定，由具體功能決定。
功能碼
Modbus的操作對象有四種：線圈、離散輸入、輸入寄存器、保持寄存器。

對象	含義
線圈	PLC的輸出位，開關量，在Modbus中可讀可寫
離散量	PLC的輸入位，開關量，在Modbus中只讀
輸入寄存器	PLC中只能從模擬量輸入端改變的寄存器，在Modbus中只讀
保持寄存器	PLC中用於輸出模擬量信號的寄存器，在Modbus中可讀可寫

根據對象的不同，Modbus的功能碼有：

功能碼	含義
0x01	讀線圈
0x05	寫單個線圈
0x0F	寫多個線圈
0x02	讀離散量輸入
0x04	讀輸入寄存器
0x03	讀保存寄存器
0x06	寫單個保持寄存器
0x10	寫多個保持寄存器

PDU詳細結構

0x01：讀線圈
在從站中讀1~2000個連續線圈狀態，ON=1,OFF=0

• 請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 數量H 數量L（共12字節）
• 響應：MBAP 功能碼 數據長度 數據（一個地址的數據爲1位）
• 如：在從站0x01中，讀取開始地址爲0x0002的線圈數據，讀0x0008位
  00 01 00 00 00 06 01 01 00 02 00 08
• 回：數據長度爲0x01個字節，數據爲0x01，第一個線圈爲ON，其餘爲OFF
  00 01 00 00 00 04 01 01 01 01

0x05：寫單個線圈
將從站中的一個輸出寫成ON或OFF，0xFF00請求輸出爲ON,0x000請求輸出爲OFF

• 請求：MBAP 功能碼 輸出地址H 輸出地址L 輸出值H 輸出值L（共12字節）
• 響應：MBAP 功能碼 輸出地址H 輸出地址L 輸出值H 輸出值L（共12字節）
• 如：將地址爲0x0003的線圈設爲ON
  00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00
• 回：寫入成功
  00 01 00 00 00 06 01 05 00 03 FF 00

0x0F：寫多個線圈
將從站中的一個輸出寫成ON或OFF，0xFF00請求輸出爲ON,0x000請求輸出爲OFF

• 請求：MBAP 功能碼 輸出地址H 輸出地址L 輸出值H 輸出值L（共12字節）
• 響應：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 輸出數量H 輸出數量L

0x02：讀離散量輸入
從一個從站中讀1~2000個連續的離散量輸入狀態

• 請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 數量H 數量L（共12字節）
• 響應：MBAP 功能碼 數據長度 數據（長度：9+ceil（數量/8））
• 如：從地址0x0000開始讀0x0012個離散量輸入
  00 01 00 00 00 06 01 02 00 00 00 12
• 回：數據長度爲0x03個字節，數據爲0x01 04 00，表示第一個離散量輸入和第11個離散量輸入爲ON，其餘爲OFF
  00 01 00 00 00 06 01 02 03 01 04 00

0x04：讀輸入寄存器
從一個遠程設備中讀1~2000個連續輸入寄存器

• 請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數量H 寄存器數量L（共12字節）
• 響應：MBAP 功能碼 數據長度 寄存器數據(長度：9+寄存器數量×2)
• 如：讀起始地址爲0x0002，數量爲0x0005的寄存器數據
  00 01 00 00 00 06 01 04 00 02 00 05
• 回：數據長度爲0x0A，第一個寄存器的數據爲0x0c，其餘爲0x00
  00 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 0C 00 00 00 00 00 00 00 00

0x03：讀保持寄存器
從遠程設備中讀保持寄存器連續塊的內容

• 請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數量H 寄存器數量L（共12字節）
• 響應：MBAP 功能碼 數據長度 寄存器數據(長度：寄存器數量×2)
• 如：起始地址是0x0000，寄存器數量是 0x0003
  00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03
• 回：數據長度爲0x06，第一個寄存器的數據爲0x21，其餘爲0x00
  00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 21 00 00 00 00

0x06：寫單個保持寄存器
在一個遠程設備中寫一個保持寄存器

• 請求：MBAP 功能碼 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字節）
• 響應：MBAP 功能碼 寄存器地址H 寄存器地址L 寄存器值H 寄存器值L（共12字節）
• 如：向地址是0x0000的寄存器寫入數據0x000A
  00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A
• 回：寫入成功
  00 01 00 00 00 06 01 06 00 00 00 0A

0x10：寫多個保持寄存器
在一個遠程設備中寫連續寄存器塊（1~123個寄存器）

• 請求：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數量H 寄存器數量L 字節長度 寄存器值（13+寄存器數量×2）
• 響應：MBAP 功能碼 起始地址H 起始地址L 寄存器數量H 寄存器數量L（共12字節）
• 如：向起始地址爲0x0000，數量爲0x0001的寄存器寫入數據，數據長度爲0x02，數據爲0x000F
  00 01 00 00 00 09 01 10 00 00 00 01 02 00 0F
• 回：寫入成功
  00 01 00 00 00 06 01 10 00 00 00 01

Modbus TCP 示例報文

ModBusTcp與串行鏈路Modbus的數據域是一致的，具體數據域可以參考串行Modbus。這裏給出幾個ModbusTcp的鏈路解析說明，輔助新人分析報文。

ModbusTCP通信

通信方式
Modbus設備可分爲主站(poll)和從站(slave)。主站只有一個，從站有多個，主站向各從站發送請求幀，從站給予響應。在使用TCP通信時，主站爲client端，主動建立連接；從站爲server端，等待連接。

• 主站請求：功能碼+數據
• 從站正常響應：請求功能碼+響應數據
• 從站異常響應：異常功能碼+異常碼，其中異常功能碼即將請求功能碼的最高有效位置1，異常碼指示差錯類型
• 注意：需要超時管理機制，避免無期限的等待可能不出現的應答

IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互聯網編號分配管理機構）給Modbus協議賦予TCP端口號爲502，這是目前在儀表與自動化行業中唯一分配到的端口號。

通信過程

1. connect 建立TCP連接
2. 準備Modbus報文
3. 使用send命令發送報文
4. 在同一連接下等待應答
5. 使用recv命令讀取報文，完成一次數據交換
6. 通信任務結束時，關閉TCP連接

本文借鑑兩位大佬文章，原文鏈接：
雲逸:https://www.cnblogs.com/ioufev/articles/10830028.html
http://devdiary.blog.sohu.com/188191457.html