簡介 Modbus TCP

Modbus 是在工業領域中廣泛使用的訊息交換規範,而 Modbus TCP 則是 Modbus 的一種實現,它使用 TCP/IP 作為傳輸層協定,因此可以透過網路傳輸。

最近在著手開發一個跟工業相關的專案,需要透過 Modbus TCP 協定來取得設備上的資訊,這篇文章會紀錄一下 Modbus TCP 的基本概念及協定規格。

關於 Modbus

Modbus 本身就是一種訊息交換的規範,而 Modbus TCP 則是透過 TCP/IP 來實現 Modbus 的一種方式,因此所有的訊息都是透過 TCP/IP 來傳輸。

Modbus 屬於 Client/Server 架構,在工業上會有一個 Server 來存放所有要被讀取的工業設備數據,如溫度、濕度、距離等資料;而 Client 則會傳送一定的訊息格式當做指令,來讀取設備資料(讀),或是叫設備去做些什麼事情(寫)。

無論是對 Modbus Server 發送讀或寫的指令,Server 都會回傳一個確認訊息,讓 Client 知道指令是否成功。整個 Modbus 的溝通就是建構在這個一來一回的訊息交換上。

在傳輸過程中,Client 與 Server 的訊息最少會有「Function Code」與「Data」兩個部分:

  • Function Code:代表要執行的動作代碼,如讀取或寫入。
  • Data:代表執行動作代碼的相關參數,例如讀取某個位址上的資料,或是回傳某個位址上的資料作為結果。

Function Code 和 Data 是整個 Modbus 溝通最基本的單元,也稱為 Protocol Data Unit (PDU)。

除此之外,根據傳輸方式不同可能還會再頭尾加上一些附加資訊,附加後的整個訊息稱為 Application Data Unit (ADU)。

Modbus 定義了許多的內建的 Function Code,每個 Function Code 伴隨著特定規則的 Data,在閱讀文件時,可以跟具我們要處理的 Function Code 找到對應的 Data 規則。

Modbus TCP 封包格式

簡單的理解 Modbus 傳輸的訊息格式後,接這看一下在 Modus TCP 中,訊息是如何被封裝成封包的。

Port

Modbus TCP 規範預設的連接 port 號為 502。

Header 格式

所有的 Modbus TCP 訊息都會一組固定 7 個 bytes 的 Header,它的規則如下:

  • Transaction Identifier (2 bytes): 用來識別這次送出的封包代碼,通常會是一個連續的數字,之後 Server 回傳時也會包含這個代碼。
  • Protocol Identifier (2 bytes): 用來識別這個封包是使用哪個協定,Modbus TCP 的協定代碼是 0,所以固定就好,同時 Server 也會回傳一樣的內容。
  • Length (2 bytes): 用來表示這個接下來資料的長度 (bytes);Client 和 Server 回傳的內容通常不同,所以 header 中的 length 在 Client 和 Server 內容通常也不會相同。
  • Unit Identifier (1 byte): 當設備後面有串連多個設備時,用來記錄這個封包是要傳送給哪個設備;Server 會回傳一樣的內容。

Function Code

Function Code 用來告訴 Server 要執行什麼動作,只會站一個 byte。

Data

Data 就是實際上要傳送的資料,長度會根據 Function Code 的規則而定。

實際資料範例

舉個例子,Function Code「03」代表的是「Read Holding Registers」,這個指令會讀取一張名為「Holding Registers」的表格,這個表格裡的資料是保留給 Server 更新裡面的資訊,以便讓 Client 可以讀取的。

這個 Holding Registers 表格是一連串 16 bits (2 bytes) 的資料,每個資料都有他的位置,我們可以簡單的想像成是一個陣列就好。

接著我們翻閱 Modbus 的文件可以 Function Code 03 的 Request 和 Response 規格

在 Request 部分除了已知的 Function Code 固定之外,還有兩個參數:

  • Starting Address: 代表要從 Holding Registers 表中的哪個位置開始讀取資料。
  • Quantity of Registers: 代表要讀取幾個資料 (一個資料 2 bytes)。

這時候我們就需要去閱讀每個設備的文件,找到想要的資訊所在的位置及需要讀取的數量,假設有個「距離」的數據,文件中表示它的位置為「2002」,數量為「1」,代表我們會從這張表的 2002 這個位置讀取 1 個資料。也就是 Starting Address 要傳入 2002;且 Quantity 要傳入 1。

現在數據足夠了,我們就可以把這些資料都轉換成 bytes 傳送給 Modbus TCP Server 了,以上述資料來說,封包內容看起來大致會如下:

[
  0x00, 0x01, // Transaction Identifier、連續數字
  0x00, 0x00, // Protocol Identifier、固定 0
  0x00, 0x06, // Length、接下來有 6 bytes 的資料
  0x01,       // Unit Identifier
  0x03,       // Function Code
  0x07, 0xD2, // Starting Address (2002 轉成 2 bytes 的結果)
  0x00, 0x01, // Quantity of Registers (1 轉成 2 bytes 的結果)
]

比對一下 Wireshark 抄出來的 Request 封包

Modbus TCP Server 收到這個封包後,會回傳一個封包給 Client,以我們舉的「距離」資料來說,假設儲存的內容為 100,則回傳內容大致會如下:

[
  0x00, 0x01, // Transaction Identifier、與 Request 相同
  0x00, 0x00, // Protocol Identifier、與 Request 相同
  0x00, 0x05, // Length、接下來有 5 bytes 的資料
  0x01,       // Unit Identifier、與 Request 相同
  0x03,       // Function Code、與 Request 相同
  0x02,       // Byte Count、接下來有多少個 bytes 的資料,基本上就是 2 * Quantity
  0x00, 0x64, // Data、實際上的資料 (100 轉成 2 bytes 的結果)
]

一樣比對一下 Wireshark 抄出來的 Response 封包

參考資源

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