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AlternarNo domínio da automação de energia, o protocolo IEC104 e o Modbus são dois protocolos de comunicação típicos com genes técnicos e cenários de aplicação muito diferentes. Neste documento, é efectuada uma comparação sistemática da arquitetura do protocolo, dos mecanismos de segurança, dos modos de interação e de outras dimensões, a fim de revelar as vantagens técnicas e as potenciais limitações do protocolo IEC 104 e de fornecer uma base para a tomada de decisões sobre a seleção de sistemas de comunicação industrial.
1. Essência técnica do protocolo CEI 104
1. Infra-estruturas de protocolo
Protocolo IEC 104 baseia-se na norma da série IEC 60870-5, que é um protocolo de telecomunicações especialmente concebido para o sistema de monitorização de energia. As suas principais caraterísticas incluem:
Dependência da camada de transporte: baseada na pilha de protocolos TCP/IP (porta 2404), permitindo uma transmissão fiável orientada para a ligação
Modo de organização dos dados: adoção da estrutura ASDU (Application Service Data Unit), contendo campos como a identificação do tipo, o qualificador da estrutura variável, o endereço do corpo de informação, etc.
Mecanismo de interação de telegramas: através do formato I (transmissão de informações), formato S (quadro de reconhecimento), formato U (quadro de controlo) Gestão de sessões mestre-escravo.

2. Lógica de interação mestre-escravo
Função Principal: Iniciar a Invocação de Dados (Invocação Geral, Invocação de Grupo e Invocação de Ponto Único) e Emitir Comandos de Controlo Remoto/Configuração
Regra de resposta do escravo:
Upstreaming da iniciativa de dados súbitos (acionado pela alteração da COS)
Resposta geral de evocação a transmitir em múltiplas APDU (sujeita a limitações de comprimento APCI)
Mecanismo de confirmação em dois passos de seleção-execução do controlo remoto
Fluxo típico de interação de mensagens:
Mestre: 68 0E 00 00 00 00 00 64 01 06 00 01 00 00 00 00 00 14
(Comando de chamada geral, motivo da transmissão = 6, endereço público = 1)
Escravo: 68 0E 02 00 02 00 00 00 64 01 07 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 15
(Confirmação de chamada geral, motivo da transmissão = 7)
2. Análise dos pontos fracos do protocolo IEC 104
1. Falta de mecanismos de segurança
Risco de transmissão de texto simples: A encriptação não é obrigatória no protocolo, pelo que existem perigos ocultos de escuta e adulteração de dados
Limitação da autenticação de identidade: Identificar o dispositivo apenas através do endereço público (normalmente 2 bytes), que é suscetível de ataques de falsificação
Possibilidade de Session Hijacking: Os atacantes podem forjar quadros em formato S para interferir com a sincronização do número de série
2. Eficiência dos estrangulamentos de transmissão
Limitação do comprimento da APDU: O campo de comprimento APCI é de 1 byte por defeito e o comprimento máximo dos dados da aplicação é de 255 bytes. Limitação do comprimento da APDU: o campo de comprimento APCI por defeito é de 1 byte, o comprimento máximo dos dados da aplicação é de 255 bytes, os conjuntos de dados em grande escala têm de ser transmitidos em fatias.
Atraso do mecanismo de confirmação: a janela de receção é, por defeito, de 12 fotogramas, sendo necessário esperar mais do que isso pela confirmação; os cenários de carga elevada são propensos a congestionamentos.
3. Dependência da sincronização do relógio
Dependência da sequência de eventos: O SOE (registo da sequência de eventos) depende da precisão do relógio do escravo, a sequência de eventos entre equipamentos pode ser distorcida.
Limitações do mecanismo de temporização: apenas suporta que o mestre emita comandos de sincronização da hora numa direção. Limitações do mecanismo de temporização: apenas suporta comandos de sincronização de tempo num sentido emitidos pelo mestre e não existe um protocolo NTP/PTP incorporado.
3. Comparação das diferenças essenciais com o protocolo Modbus
1. Diferenças na arquitetura da pilha de protocolos
| Características | IEC 104 | Modbus |
| Camada de rede | TCP/IP (RFC 793) | Suporte para TCP (Modbus TCP) e ligações em série (RTU/ASCII) |
| Encapsulamento de dados | Estrutura ASDU+APCI | PDUs (códigos de função + campos de dados) |
| Modos de transmissão | Equilibrado (interações mestre-escravo bidireccionais) | Não equilibrado (sondagem unidirecional pelo mestre) |
2. Comparação da eficiência da transmissão
Single frame data capacity:
IEC 104: max. 255 bytes (APDU length field 1 byte)
Modbus TCP: max. 260 bytes (ADU=MBAP+PDU)
Event response speed:
IEC 104 supports COS active uploading, event delay can be controlled within 100ms
Modbus relies on the master station polling, typical polling period ≥s 3. Function code and data type support IEC 104 data type: Single point information (SIQ) Measurement value (e.g. normalized value, scaled value, short float) ≥1s
3. Suporte do código de função e do tipo de dados
IEC 104 data types:
Single point information (SIQ)
Measured values (e.g., normalized values, scaled values, short floats)
Telegrams with timescales (CP56Time2a)
Modbus function codes:
01/02: read coils/discrete inputs
03/04: read hold/input registers
06/16: write single/multiple registers
4. Diferenças de aplicabilidade no sector
IEC 104 Advantageous Scenarios:
Electric power SCADA system (dispatch automation, substation monitoring)
Real-time control system requiring active event reporting
Modbus Applicable Fields:
Industrial device-level communication (PLC, sensors)
Scenarios with low data collection frequency
4. Pontos técnicos fundamentais da implementação do mestre e do escravo
1. Pontos-chave do desenvolvimento do projeto de IEC 104
Session state machine design: need to Realize state transitions such as STARTDT activation, stop, timeout reconnection, etc.
Data partition management: establish a parsing rule base according to ASDU types (1~127)
Transmission window control: dynamically adjust the receive serial number (RSN) and send serial number (SSN) to avoid serial number overflow.

2. Considerações sobre a implementação do escravo
Clock synchronization implementation: need to be built-in high-precision RTC, support for the master station C_CS_NA_1 (clock synchronization commands)
Burst data management: configure the COS change threshold (such as analog changes > 0.5% trigger upload)
Security enhancements:
IP whitelist filtering
TLS tunnel encryption (such as based on the OpenSSL library)
3. Comparação da implementação de fonte aberta da pilha de protocolos
| Solução | Strengths | Limitations |
| lib60870 | Conforms to IEC 62351 security extensions | Higher memory footprint (≥500KB) |
| openDAQ | Supports multi-protocol conversions | Poorly documented |
| FastDDS | Supports QoS policies | Adaptation of ASDU data structure required |
5. Sugestões de otimização para a prática de engenharia
1. Estratégias de melhoria do desempenho da transmissão
APDU Extension Mode: Enable APCI length field extension (0x02 flag bit) to support 65535-byte ultra-long frames
Application of Compression Algorithm: Adopt delta coding + ZigZag compression for floating-point arrays to reduce bandwidth consumption
Batch Read Optimization: Merge multiple single-point summonses into a group summons to reduce the frequency of interactions
2. Solução de reforço de segurança
Transport layer encryption: deploy VPN tunnel based on TLS 1.3
Application layer protection:
Implement ASDU signature (ECDSA algorithm)
Add message sequence number to prevent replay attack
Access control: establish device certificate system (X.509 standard)
3. Modo de rede híbrido
Protocol conversion gateway: implement IEC 104 to Modbus TCP protocol converter (e.g. Moxa). MGate 5105) to realize heterogeneous system docking
Data aggregation solution: deploy OPC UA server on the edge side to unify and encapsulate multi-protocol data
Conclusão: Árvore de decisão de seleção de tecnologia
The choice between IEC 104 and Modbus should be based on three core elements:
Real-time requirements: IEC 104 is preferred for event-driven systems, and Modbus is preferred for polled scenarios
Security level: High security requirements for IEC 104 are required for the scenario Scenarios require security extensions to IEC 104
System Scale: IEC 104 is suitable for large-scale layered architectures, and Modbus is preferred for device-level communication
With the popularization of the IEC 62351 security standard and the integration of TSN technology, the new-generation enhanced IEC 104 protocol is breaking through the traditional limitations to evolve into a safer and more efficient industrial communication system.
Agnes Wang é especialista em soluções de IoT na IOTRouter, dedicando-se principalmente a gateways de IoT industrial, computação de ponta e soluções de automação industrial.
É especialista em tecnologias de comunicação industrial, incluindo Modbus, IEC 60870-5-104, MQTT, OPC UA, integração de PLC e aplicações de monitorização remota. Colabora na elaboração de artigos técnicos e guias de aplicação sobre soluções de IoT industrial, conversão de protocolos e computação na periferia.
- Agnes Wang
- Agnes Wang11 de setembro de 2026
- Agnes Wang10 de setembro de 2026



