你好，我是Modbus TCP協(xié)議
2020-10-16新聞
大家好，我是Modbus-TCP協(xié)議。
我來(lái)自Modbus大家庭，我們家有三個(gè)兄弟：大哥(Modbus-RTU協(xié)議)、二哥(Modbus-ASCII協(xié)議)和我，我們都活躍在工業(yè)通信領(lǐng)域。我大哥和二哥擅長(zhǎng)串行通信，比如基于RS485或者RS232的通信，而我則擅長(zhǎng)基于以太網(wǎng)的通信。由于底層所使用的結(jié)構(gòu)不同，我們的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(Application Data Unit，ADU)有所不同。你可能并不清楚什么是ADU，我來(lái)詳細(xì)介紹下吧。
為了進(jìn)行通信，我們家規(guī)定了一種很簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，被稱為"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讀取線圈；02讀取離散量輸入值；03讀取保持寄存器值；05寫單個(gè)線圈等；
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)表示要讀取的線圈的地址，后兩個(gè)字節(jié)表示要讀取線圈的數(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)表示要寫入線圈的地址，后面兩字節(jié)表示要寫入的值。
協(xié)議數(shù)據(jù)單元有三種類型：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，你可以去我家官網(wǎng)(http://modbus.org)下載通信規(guī)范好好閱讀下，或者去北島李工的網(wǎng)站(https://www.founderchip.com)下載。
協(xié)議數(shù)據(jù)單元是我們家族的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它與底層物理結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，我們?nèi)值芏际褂孟嗤膮f(xié)議數(shù)據(jù)單元。但是，我們?cè)谕ㄐ诺臅r(shí)候，總要依賴物理網(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，我跟兩個(gè)哥哥的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元是不同的，他們的ADU結(jié)構(gòu)如下圖所示：
而我的ADU結(jié)構(gòu)如下：
可以看到，我的應(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，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；
這就是我的ADU結(jié)構(gòu)，即：MBAP頭+PDU，是不是很簡(jiǎn)單呢？我的數(shù)據(jù)傳輸采用的是一種被稱為"客戶端/服務(wù)器"的模式，這也是上面的表格中會(huì)出現(xiàn)客戶端/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子的S7通信協(xié)議。在串行鏈路中，這種方式也稱為主-從通信。
說(shuō)到這里，你可能會(huì)有一個(gè)疑惑。因?yàn)槲覀冊(cè)诰W(wǎng)絡(luò)通信中，通常需要寫明IP地址和端口號(hào)，為什么我的ADU中沒(méi)有相關(guān)的內(nèi)容呢？
哈哈，其實(shí)這是因?yàn)槲沂且粋€(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，在邏輯上我是在TCP層上的。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，我的應(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。所以在使用我進(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。比如西門子S7-200 SMART/1200/1500等PLC都有現(xiàn)成的Modbus-TCP指令庫(kù)。
