第4章 Modbus TCP协议详解

好，咱们今天聊聊Modbus TCP。说实话，这是目前工业现场用得最多的协议之一。我刚开始接触时也觉得它跟RTU差不多，后来踩了几个坑才明白——两者差别其实挺大的。

4.1 TCP帧结构：MBAP报文头

Modbus TCP的帧结构，说白了就是在标准TCP数据包外面套了个7字节的MBAP头。这个头是啥？我习惯叫它“报文头”，全称是Modbus Application Protocol Header。

MBAP报文头一共7个字节，结构如下：

字段	长度（字节）	说明
事务处理标识符	2	用于匹配请求和响应，一般由客户端生成
协议标识符	2	固定为0x0000，表示Modbus协议
长度	2	后续数据的字节数（从单元标识符开始算）
单元标识符	1	相当于RTU里的从站地址

这里有个细节我特别想强调：事务处理标识符。我在项目中遇到过一台PLC同时发多个请求，结果从机返回时标识符搞混了，整个系统直接乱套。所以我的建议是——客户端每次发请求时，事务ID必须递增，从机响应时原样返回。这样两边才能对上号。

4.2 功能码与数据区

MBAP头后面紧跟着的就是功能码和数据区。这部分跟RTU完全一样，没有变化。

功能码还是那老三样：

• 0x01：读线圈状态
• 0x03：读保持寄存器
• 0x06：写单个寄存器
• 0x10：写多个寄存器

数据区的格式也一模一样。比如读保持寄存器，请求帧是：功能码 + 起始地址 + 寄存器数量。响应帧是：功能码 + 字节数 + 寄存器数据。

举个例子，读从站1的保持寄存器地址0x0000开始，读2个寄存器：

请求帧（十六进制）：
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 02
|--事务ID--|协议ID|长度|单元ID|功能码|起始地址|数量|

响应帧：
00 01 00 00 00 07 01 03 04 12 34 56 78
|--事务ID--|协议ID|长度|单元ID|功能码|字节数|数据...|

你看，长度字段是0x0006，表示从单元标识符开始往后数6个字节。响应里长度是0x0007，因为多了1个字节的字节数。

4.3 与RTU/ASCII的异同

这个问题面试经常问。我简单列个表，你一看就明白：

对比项	Modbus TCP	Modbus RTU	Modbus ASCII
物理层	以太网	RS-232/485	RS-232/485
帧头	MBAP头（7字节）	地址码（1字节）	起始符":" + 地址码
校验	无（依赖TCP校验）	CRC16	LRC
结束符	无	3.5字符静默时间	CR/LF
最大数据量	无限制（受TCP限制）	253字节	253字节

说白了，TCP版本去掉了地址码和CRC校验，因为TCP/IP协议栈已经帮你做了这些事。你想想看，TCP本身就有序列号、确认机制、校验和，Modbus再搞一套CRC不是多此一举吗？

不过有个坑要注意：单元标识符。虽然TCP里没有从站地址了，但单元标识符还是保留着。为什么？我遇到过一种情况：一台网关设备后面挂了多个串口从站，网关通过单元标识符来区分它们。所以别以为TCP里这个字段没用，它其实是给网关用的。

4.4 端口502的约定

Modbus TCP默认使用端口502。这是IANA分配的知名端口，就像HTTP用80、HTTPS用443一样。

为什么是502？说实话我也不知道，可能是当年设计者随手选的。但既然成了标准，大家就都遵守了。

实际项目中，我见过两种用法：

• 标准用法：客户端连接从机的502端口
• 非标准用法：有些设备为了安全，把端口改成别的，比如1502、2502等

我个人建议：能用502就用502。因为很多现成的Modbus库和工具都默认502端口，你改了反而麻烦。除非有安全要求，比如不允许外部直接访问502端口，那可以映射到其他端口。

嗯，这里还要注意一点：一个端口只能被一个进程占用。如果你在同一台机器上跑多个Modbus从机，它们不能都用502端口。解决办法是每个从机用不同的端口，或者用虚拟IP地址。

4.5 小结

Modbus TCP其实就是把RTU的帧结构套了个TCP的壳。核心变化就三点：

1. 多了7字节的MBAP头
2. 去掉了CRC校验
3. 用单元标识符代替从站地址

你只要记住这三点，TCP和RTU之间的转换就手到擒来了。下一章我会讲怎么在STM32上实现一个Modbus TCP从机，到时候咱们再细聊。