一种Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ工业以太网协议的结构
摘要：本文主要介绍了一种Modbus/TCP工业以太网协议的规范和主要功能分类，在处理Modbus/TCP转换的时候可以参考。
关键词：工业以太网；Modbus/TCP协议
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：
1009-3044(2008)31-0855-02
The Achievement of the Modbus/TCP of Industrial Ethernet
HUO Heng-yu
（School of Computer Science & Technology,Soochow University,Suzhou215500, China）
Abstract: This article introduced a Modbus/TCP industrial Ethernet protocol norms and the main function of the classification.
Key words: industrial ethernet; modbus/TCP
1 引言
自法国施耐德电气公司推出“透明工厂”战略以来，其已经成为在工业领域中应用以太网的坚决倡导者。
Modbus/TCP是目前工业以太网事实上的标准之一，并促进以太网在传感器和设备级的应用。
2003年IDA和Modbus
合并为Modbus-IDA，实时工业以太网部分称为
Modbus/TCP(RTSP)，成为IEC61784-2成员之一。
Modbus/TCP协议：用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性。
物理层和数据链路层是标准的以太网协议，网际层是标准的IP协议，运输层是标准的TCP协议，应用层嵌入Modbus协议。
2 Modbus/TCP协议规范
2.1 报文类型
Modbus报文传输服务提供设备之间的客户机/服务器通信，而这些设备联接在一个以太网上，信息传递分4类报文：Modbus请求、Modbus证实、Modbus指示和Modbus响应，如图1。
Modbus请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文；Modbus指示是服务器接收的请求报文；Modbus响应是服务器发送的响应报文；Modbus证实是客户机接收的响应报文。
2.2 通信结构
Modbus/TCP基本是用简单方式将Modbus帧嵌入TCP 帧，是一种面向连接的传送，它需要响应，请求/响应技术适用于Modbus的主站/从站特性，交换式以太网为用户提供了确定性特征。
系统可以包括不同类型的设备：客户机、服务
器、网桥、路由器、网关等。
2.3 报文规范
Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU），它包括功能码和数据。
当Modbus协议作为应用层协议在不同的连接中会用不同的报文格式，这体现在附加单元上。
下面给出了完整的报文格式，但这只是一个总体应用数据单元（ADU），不同连接中应该映射为具体报文格式，如图2。
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图2 Modbus的ADU报文
Modbus协议ADU在串行链路上映射为Modbus SERIAL LINE ADU，如图3。
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图3 Modbus SERIAL LINE的ADU报文
Modbus协议ADU在以太网上映射为Modbus TCP/IP ADU，如图4。
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图4 Modbus TCP/IP的ADU报文
Modbus TCP/IP ADU使用一种专用报文头来识别Modbus应用数据单元，该报文头称为MBAP。
1) 报文头（MBAP）格式
事务处理标识符：用于事务处理配对。
在响应中，Modbus
服务器复制请求的事务处理标识符。
事务处理标识符用于将请求和未来响应之间建立联系，对TCP连接来说同一时刻事务处理标识符是唯一的。
2) 功能码（FUNCTION CODE）
功能码分为三类：公共功能码、用户定义功能码和保留功能码。
公共功能码：有确切定义，唯一的，公开的，由Modbus 组织确认的。
用户定义功能码：用户无需Modbus组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码，不保证唯一性。
保留功能码：用户可以选择使用保留，但有些传统产品可能不支持，但具有确切的定义。
异常功能码：当与请求而回应的请求非正常时，功能码为异常码。
3) 数据段（DATA）
DATA：具体的读写数据值。
3 Modbus/TCP协议功能描述
Modbus组件结构包括：通信应用层（Communication Application Layer）、TCP管理层（TCP Management Layer）和TCP/IP协议栈。
3.1 通信应用层
通信应用层包括：Modbus客户机（Modbus Client）、
Modbus服务器（Modbus Server）、Modbus客户机接口（Modbus Client Interface）、Modbus后端接口（Modbus Backend Interface）。
Modbus客户机允许用户应用明确地控制与远程设备的信息交换，根据用户应用向Modbus客户机接口发送的要求中所包含的参数来建立一个Modbus请求，即用户决定了建立怎样的请求。
Modbus客户机接口使得用户应用能够生成各类Modbus 请求，该服务包括对Modbus应用对象的访问，即用户用来建立请求的模板，Modbus协议没有对Modbus客户机接口加以定义和限制。
Modbus服务器收到请求后，激活一个本地操作进行读、写、或完成其它操作，这些操作的处理对应用程序开发人员都是透明的。
Modbus服务器的主要功能是等待来自TCP502口的Modbus请求，处理这一请求然后根据设备状况生成一个Modbus应答。
Modbus后端接口是一个从Modbus服务器到定义应用对象的应用程序之间的接口。
3.2 通信应用层在服务器设计中的作用
Modbus服务器的作用是为应用对象提供访问以及为远程客户机提供服务。
应用对象的访问有两种，一是简单访问，另一个是高级访问。
简单访问：获得或设定应用对象的属性；
高级访问：启动一个特定的应用服务。
在网关适配器中主要考虑高级访问，因为应用对象访问网关适配器时其属性是特定的，访问目的就是完成一定的应用服务。
Modbus服务器本身可以立即处理一些服务，还可以与被处理的用户应用进行显式交互操作；有些高级服务需要调用特定的接口即后端服务。
简而言之，通信应用层就是把用户应用的计算机可以识别的语言转换为符合Modbus协议要求的帧格式，它是负责管理Modbus通信的功能模块。
通信应用层在断路器网关适配器中的中心工作是把Modbus客户机的请求和响应之间用户应用服务实时地完成。
3.3 TCP管理层
TCP管理层的主要功能之一是管理通信的建立和结束，以及管理在所建立的TCP连接上的数据流。
连接管理（Connection Management）：负责全面管理报文传输TCP连接。
访问控制（ACCESS Control）：在某些重要的场合，必须禁止无关的主机对设备内部数据的访问。
TCP层参数配置（TCP Stack Parmeterization）：可以调整TCP/IP协议栈的一些参数以使得其特性适应产品或系统的限制。
3.4 IP参数配置
IP参数可以选择A、B、C类中的一类，本适配器采用C类。
子网掩码用来规划子网，其类型和IP地址一致。
3.5 TCP/IP协议栈
TCP/IP协议栈为标准的协议栈，由操作系统来管理，对用户来说是隐含的。
3.6 MODEBUS PDU校验
Modbus PDU校验首先分析MBAP报文头，如果协议类型不同，则简单废弃这个指示；如果协议类型符合Modbus，则启动事务处理，如果事务处理标识符无效，服务器生成异常响应；如果事务处理标识符有效，则存储用于发送指示的TCP连接标识符、Modbus事务处理标识符和单元标识符等信息，分析功能码的正确与否，不正确则生成异常响应；如果功能码正确，则启动一个Modbus服务；如果超时则进入超时管理并生成异常响应；无超时则正常通信。
3.7 超时管理
Modbus/TCP协议没有对超时时间作强制规定，因为考虑到Modbus/TCP协议可能用于最宽范的通信场合，从豪秒级的I/O扫描到延时几秒的远程无线链接。
所以，超时时间的具体设定应该根据现场设备状况、功能、网络拓扑结构、服务器、客户机、用户组态等具体情况而定。
随着计算机技术、通信技术、网络技术的日益发展，以太网技术在电力、工业自动化和过程自动化领域得到了越来
越广泛的应用。
目前，工业以太网开始逐渐渗透工业系统现场总线网络之中，据业界人士预测工业以太网系统在未来
3~5年将成为应用的主流，为了抓住未来最大的市场，世界各大公司对今后的电器产品都已明确提出了全面推广应用
基于工业以太网的通信控制方式。
而目前工业电器和自动化产品还都是以现场总线为主，所以对各个现场总线和工业以太网的协议转换，还是很有必要的，本文的出发点也在于此。
参考文献：
[1] 施耐德电气公司透明工厂――开放的自动化世界.
[2] （美）W.Richard Stevens. TCP/IP详解[M]. 机械工业出版社, 2003.
[3] 以太网和IEEE802.3. 2002.。