3. Modbus TCP 协议帧结构：MBAP 报文头与 PDU
Modbus TCP 协议帧是 Modbus 协议在 TCP/IP 网络上的封装形式。与传统的串行链路（RTU/ASCII）不同，TCP 帧去除了校验码（由 TCP 协议保证），并引入了专用的报文头（MBAP）来标识事务和单元。理解帧结构是开发采集程序的基础。
3.1 整体帧结构
一个完整的 Modbus TCP 请求/响应帧由两部分组成：MBAP 报文头（7 字节）和 PDU（协议数据单元，可变长度）。
| 组成部分 | 长度 | 描述 |
|---|---|---|
| MBAP 报文头 | 7 字节 | 事务标识符、协议标识符、长度、单元标识符 |
| PDU | ≥ 2 字节 | 功能码（1 字节）+ 数据（可变） |
关键区别：Modbus TCP 帧没有 CRC/LRC 校验，因为 TCP 协议本身已提供可靠传输和校验。MBAP 头中的“长度”字段替代了串行帧中的帧结束判定。
3.2 MBAP 报文头详解
MBAP（Modbus Application Protocol）报文头是 TCP 帧特有的 7 字节头部，用于多事务管理和设备寻址。
| 字段 | 字节数 | 说明 | 示例值（十六进制） |
|---|---|---|---|
| 事务标识符 | 2 | 用于请求/响应配对。客户端递增，服务器原样返回。 | 0x0001 |
| 协议标识符 | 2 | 固定为 0x0000，表示 Modbus 协议。 |
0x0000 |
| 长度 | 2 | 后续字节数（从单元标识符开始到帧尾）。 | 0x0006 |
| 单元标识符 | 1 | 用于标识远程从站（类似 RTU 的从站地址）。 | 0x01 |
事务标识符的作用：当客户端同时发送多个请求时，通过事务标识符匹配响应。例如，请求 A 使用 0x0001，请求 B 使用 0x0002，服务器返回的响应中会携带对应的事务标识符，客户端据此区分。
3.3 PDU：功能码与数据
PDU（Protocol Data Unit）是 Modbus 协议的核心载荷，与传输介质无关。它由 1 字节功能码和可变长度的数据组成。
- 功能码（1 字节）：指示操作类型，如读线圈（0x01）、读保持寄存器（0x03）、写单个寄存器（0x06）等。
- 数据（可变）：包含起始地址、数量、写入值等参数。响应数据则包含字节计数和实际寄存器值。
| 方向 | 功能码 | 数据内容 | 示例（十六进制） |
|---|---|---|---|
| 请求 | 0x03 |
起始地址（2 字节）+ 寄存器数量（2 字节） | 03 00 00 00 0A |
| 响应 | 0x03 |
字节计数（1 字节）+ 寄存器值（N 字节） | 03 14 00 01 00 02 ... |
3.4 完整帧示例：读取保持寄存器
以下是一个完整的 Modbus TCP 请求帧，用于读取从站 1 的保持寄存器（起始地址 0，数量 10）：
事务标识符 协议标识符 长度 单元标识符 功能码 起始地址 寄存器数量
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A对应的响应帧：
事务标识符 协议标识符 长度 单元标识符 功能码 字节计数 寄存器值（20 字节）
00 01 00 00 00 17 01 03 14 00 01 00 02 ...
注意：长度字段的值是“从单元标识符开始到帧尾的字节数”。在请求帧中，长度 = 1（单元标识符）+ 1（功能码）+ 4（数据）= 6（0x0006）。在响应帧中，长度 = 1 + 1 + 1 + 20 = 23（0x0017）。
3.5 MBAP 与 PDU 组合关系图
下图展示了 Modbus TCP 帧的完整结构，以及 MBAP 头与 PDU 的拼接方式：
3.6 请求与响应帧对比
下表对比了读取保持寄存器（功能码 0x03）的请求帧和响应帧结构：
| 字段 | 请求帧（客户端 → 服务器） | 响应帧（服务器 → 客户端） |
|---|---|---|
| 事务标识符 | 客户端生成（如 0x0001） | 原样返回 |
| 协议标识符 | 0x0000 | 0x0000 |
| 长度 | 0x0006 | 0x0017（示例） |
| 单元标识符 | 目标从站地址（如 0x01） | 原样返回 |
| 功能码 | 0x03 | 0x03 |
| 数据 | 起始地址（2 字节）+ 数量（2 字节） | 字节计数（1 字节）+ 寄存器值（N 字节） |
实践要点：在编写采集程序时，务必正确设置事务标识符（用于多线程并发请求）和长度字段（避免粘包问题）。单元标识符通常设为 0x01 或 0xFF（广播），具体取决于从站配置。