ModbusTCP通信协议分析
前言
大家好！我是付工。前面给大家介绍了一系列关于RS485与Modbus的知识。
今天跟大家聊聊关于ModbusTCP协议的那些事。
一、发展历史
ModbusTCP是一种基于以太网的通信协议.ModbusTCP协议由施耐德公司在1996年推出，它继承了ModbusRTU协议的核心功能，但主要通过TCP/IP以太网进行数据传输，实现了设备之间的主从式通信。
在实际应用中，针对串口ModbusRTU，我们通过采用主站/从站的说明双方的角色，对于ModbusTCP，我们通过使用服务器/客户端来定义双方的角色。
二、通用格式
学习通信协议，首先要弄清楚通用报文格式。我们首先来分析一下ModbusTCP与ModbusRTU的区别：
我们可以看出，ModbusTCP在Modbus串行通信的基础上，去除了差错校验和附加地址（即从站地址），然后加上MBAP报文头（7 Bytes）。
1. ModbusTCP协议一般用 于TCP或UDP通信，而TCP和UDP本身就具备数据校验，因此不需要再加校验了。
2、ModbusTCP主要用于以太网通信，因此，不再需要通过附加地址（即从站地址） 来区分不同的设备，因为以太网设备一般会使用IP地址来区分。
因此，我们只需要了解MBAP报文头即可，因为功能码和数据部分与ModbusRTU协议是一样的，下面主要针对MBAP报文头进行分析说明。
| 域 | 长度 | 描述 | 客户机 | 服务器 |
| 事务处理标识符 | 2字节 | Modbus请求/响应的识别码 | 客户机启动 | 复位响应 |
| 协议标识符 | 2字节 | 0=Modbus协议 | 客户机启动 | 复位响应 |
| 长度 | 2字节 | 后续字节的数量 | 客户机启动 | 服务器启动 |
| 单元标识符 | 1字节 | 串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别码 | 客户机启动 | 复位响应 |
【1】事务处理标识符：事务处理标识符可以理解为报文的编号，服务器会复制客户端 的事务处理标识符进行响应，因此事务处理标识符并没有实际意义，一般情况下我们会使用ID自增的方式，事务处理标识符占用2个字节长度。
【2】协议标识符：协议标识符设计时是为了区分不同的协议，但是在实际应用中，只有一个协议Modbus协议，用0来表示，协议标识符占用2个字节长度，所以协议标识符是固定值0x00 0x00。
【3】长度：长度表示它后面有多少个字节，即单元标识符、功能码、数据这三个部分 的字节个数，长度占用2个字节长度。
【4】单元标识符：单元标识符与从站地址是相似的，因为ModbusTCP去除了从站地址， 所以在MBAP报文头中加入单元标识符，防止有些场合需要通过一个标识来区别不同的子设备，比如一个串口服务器下挂了多个串口设备，那么就需要单元标识符来区别不同的串口设备，实际应用中单元标识符的值由服务器决定。
综合来看，ModbusTCP协议的通用报文格式如下所示：
| 事务处理标识符 | 协议标识符 | 长度 | 单元标识符 | 功能码 | 数据 |
| 2 bytes | 2 bytes | 2 bytes | 1 byte | 1 byte | N bytes |
下面针对常用的几个功能码进行详细讲解。
三、读取输出线圈
读取输出线圈发送报文格式如下：
我们来分析一下这段发送报文：
【1】事务/协议：事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。
【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节，因此长度是0x00 0x06。
【3】单元标识符：单元标识符默认是0x01。
【4】功能码：0x01表示读取的是输出线圈存储区。
【5】起始地址：十六进制0x00 0x13对应十进制为19，表示从19号线圈开始读取，这个 19对应的Modbus地址为00020。
【6】线圈数量：十六进制 0x00 0x1B对应十进制的27，表示读取线圈数量为27。
这段发送报文表示的含义是客户端想要读取服务器输出线圈存储区，Modbus地址从 00020-00046，共27个线圈的状态值。
当服务器收到这段报文后，响应报文如下：
我们再来分析一下这段响应报文：
【1】事务/协议：事务标识符服务器是复制发送报文的，是固定值0x00 0x00。
【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是7个字节，因此长度是0x00 0x07。
【3】单元标识符：单元标识符与发送报文一致。
【4】功能码：0x01表示这帧报文响应的是0x01功能码的报文。
【5】字节计数：0x04表示返回的数据总共有4个字节。
【6】字节1至字节4：返回的具体数据分别为0xCD、0x6B、0xB2、0x05，这4个字节对 应32个线圈值，前面的27个线圈值即对应00020-00046的值。
客户端收到响应报文便获取到了自己要的数据，具体对应关系如下： 0xCD=1100 1101 对应 00027-00020 0x6B=0110 1011 对应 00035-00028 0xB2=1011 0010 对应 00043-00036 0x05=0000 0101 对应 00051-00044至此，就完成了一次Modbus通信交互。
至于读取输入线圈，与读取输出线圈几乎一致，唯一的区别就是功能码从0x01变成了0x02，这里就不做过多赘述了。
四、读取保持型寄存器
读取保持型寄存器发送报文格式如下：
这个与读取输出线圈是相似的，只不过这里的起始地址是寄存器地址。
我们来分析一下这段发送报文：
【1】事务/协议：事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。
【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节，因此长度是0x00 0x06。
【3】单元标识符：单元标识符默认是0x01。
【4】功能码：0x03表示读取的是保持型寄存器存储区。
【5】起始地址：十六进制0x00 0x6B对应十进制为107，表示从107号寄存器开始读取， 这个107对应的Modbus地址为40108。
【6】寄存器数量：0x00 0x02对应十进制的2，表示读取寄存器数量为2。
客户端发送这段报文是想要读取服务器保持型寄存器存储区，Modbus地址 从40108-40109，共2个寄存器的数据值。
服务器响应报文格式如下：
我们再来分析一下这段响应报文：
【1】事务/协议：事务标识符服务器是复制发送报文的，是固定值0x00 0x00。
【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是7个字节，因此长度是0x00 0x07。
【3】单元标识符：单元标识符与发送报文一致。
【4】功能码：0x03表示这帧报文响应的是0x03功能码的报文。
【5】字节计数：0x04表示返回的数据总共有4个字节。
【6】字节1至字节4：返回的具体数据分别为0x00、0xC8、0x01、0x2C，这4个字节对 应2个保持型寄存器的值，即对应40108-40109的值。
客户端收到响应报文便获取到了自己要的数据，具体对应关系如下：
0x00 0xC8对应40108的值，16进制的0x00 0xC8对应十进制的200
0x01 0x2C对应40109的值，16进制的0x01 0x2C对应十进制的300
读取输入寄存器，与读取保持型寄存器报文格式几乎一致，唯一的区别就是功能码从0x03变成了0x04，这里就不做过多赘述了。
五、预置单线圈
我们对0x05功能码预置单线圈进行说明，发送报文格式如下：
我们来分析一下这段发送报文：
【1】事务/协议：事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。
【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节，因此长度是0x00 0x06。
【3】单元标识符：单元标识符默认是0x01。
【4】功能码：0x05表示写入单个输出线圈。
【5】线圈地址：十六进制0x00 0x1A对应十进制为26，表示写入26号线圈，这个26对 应的Modbus地址为00027。
【6】断通标志：0xFF 0x00表示置位，就是将该线圈状态设置为True。这段发送报文表示的含义是客户端想要将服务器输出线圈存储区，Modbus地址00027这个线圈置为True。
接收报文格式如下：
预置单线圈接收报文与发送报文一致，原报文返回。
六、预置单寄存器
我们对0x06功能码预置单寄存器进行说明，发送报文格式如下：
我们来分析一下这段发送报文：【1】事务/协议：事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。 【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节，因此长度是0x00 0x06。 【3】单元标识符：单元标识符默认是0x01。 【4】功能码：0x06表示写入单个保持型寄存器。 【5】寄存器地址：十六进制0x00 0x10对应十进制为16，表示写入16号寄存器，这个16 对应的Modbus地址为40017。 【6】写入值：16进制0x03 0x00对应十进制768，就是将该寄存器的值设置为768。这段发送报文表示的含义是主站想要将1号从站保持型寄存器存储区，Modbus地址 40017这个寄存器的值修改为768。接收报文格式如下：
预置单寄存器接收报文与发送报文一致，原报文返回。
七、预置多线圈
0x0F功能码预置多线圈发送报文格式如下：
我们来分析一下这段发送报文：
【1】事务/协议：事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。
【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节，因此长度是0x00 0x06。
【3】单元标识符：单元标识符默认是0x01。
【4】功能码：0x0F表示写入多个输出线圈。
【5】起始地址：十六进制0x00 0x13对应十进制为19，表示从19号线圈开始写入，这个 19对应的Modbus地址为00020。
【6】数量：十六进制0x00 0x0A对应十进制为10，表示连续写入10个线圈，Modbus地 址从00020到00029。
【7】写入值：0x0F 0x03表示写入的两个字节，第一个字节对应前8个线圈，第二个字节 对应后面的线圈。这段发送报文表示客户端想要对服务器输出线圈存储区，从Modbus地址 00020开始的10个线圈值进行修改，0x0F对应二进制00001111，对应前8个线圈，就是将00020-00027写入11110000，0x03对应二进制00000011，对应后面的线圈，也就是将00028-00029写入11。
接收报文格式如下：
预置多输出线圈接收报文是在发送报文基础上除去字节数及写入值。
八、预置多寄存器
0x10功能码预置多寄存器发送报文格式如下：
我们来分析一下这段发送报文：
【1】事务/协议：事务处理标识符和协议标识符都是用的固定值0x00 0x00。
【2】长度：单元标识符、功能码、数据部分总共是6个字节，因此长度是0x00 0x06。
【3】单元标识符：单元标识符默认是0x01。
【4】功能码：0x10表示写入多个保持型寄存器。
【5】起始地址：十六进制0x00 0x10对应十进制为16，表示从16号寄存器开始写入，这 个16对应的Modbus地址为40017。
【6】数量：十六进制0x00 0x02对应十进制为2，表示连续写入2个寄存器，Modbus地 址从40017到40018。
【7】字节数：0x04表示4个字节，因为1个寄存器对应2个字节，2个寄存器对应4个字节。
【8】写入值：0x01 0x0A 0x01 0x10表示写入的4个字节，前2个字节对应第1个寄存器， 后二个字节对应第二个寄存器。这段发送报文表示的含义是客户端想要对服务器1号从站保持型存储区，从Modbus地址40017 开始的2个寄存器值进行修改，0x01 0x0A对应十进制266，对应第1个寄存器，也就是 将40017写入266，0x01 0x10对应十进制272，对应第2个寄存器，也就是将40018写入272。
接收报文格式如下：
预置多寄存器接收报文是在发送报文基础上除去字节数及写入值。
