倍加福提供四种作为 IIoT 使能技术、基于 TCP 的通信协议——第二部分：OPC UA

OPC 统一架构 （OPC UA）是一种独立于平台、基于服务的架构。作为 Classic OPC 的升级版，OPC UA 的目标是消除 Classic OPC 的缺点，尤其是其对 Microsoft 和 COM/DCOM 的依赖性。OPC基金会先开发了 Classic OPC，然后它也是负责开发和管理 OPC UA 的同一组织。第一个规范发布于 2008 年，且通过了 IEC 认证（IEC 62541）。OPC UA是一种架构而非通信协议，为实施提供了一个完整的生态系统。这个生态系统非常灵活，随着未来技术的进一步开发，OPC UA 能够在现有系统中将新技术进行绑定并使用。例如，OPC UA 发布/订阅于 2018 年正式投入使用（在此之前，OPC UA 主要依赖于请求/响应）。目前，人们非常关注 TSN（时效性网络）标准，该标准支持时间确定性的网络通信。通过 OPC 基金会在各种技术和市场活动中的不懈努力，实现了从时间角度优化流程的目标。OPC UA 的一个重要优势在于无需设备描述文件。每个设备都具备所有需要的信息，无需依赖于外部文件进行通信、识别或数据访问。

不仅如此，OPC UA 为行业所提供的非常重要的方面还包括数据建模、信息模型和联盟活动，如技术工作组，致力于所有设备的跨行业协调和通信。OPC UA 数据建模的基本元素是节点和引用。每个数据单元称为一个节点，所有节点都通过引用进行连接。有各种类型的节点和引用。例如，节点可以是对象、变量、方法、对象类型或数据类型。引用也有类型，但在更高层级上被组合成分层组和非分层组。节点和引用都在一个地址范围内，所有节点都可以通过“节点 ID”进行访问。节点 ID 与存在相应节点（数据信息）的地址相对应。

信息模型

信息模型是 OPC UA 应用的构建模块，提供标准节点定义，使设备之间能够更好地协调。信息模型可分为很多类型。OPC 基金会对基本模型进行了定义，如数据访问 （DA）、历史数据访问 （HDA）、警报和条件以及程序，这些模型提供了有关 OPC UA 应用支持哪些功能的信息。DA是对过程和参数数据的标准访问。HDA 增加了存储来自同一节点的多个测量值以便用于统计的功能。警报和条件允许在紧急通知的情况下发送事件，而程序允许定义简单的状态机。

OPC UA 的可扩展性可以帮助用户实现仅数据访问信息模型，这对于内存和计算能力有限的设备特别有用。除了这四种信息模型外，OPC 基金会还创建了另一种模型，设备集成（DI）信息模型，该模型为技术工作组的许多其他信息模型奠定了基础，如 FDI、PLCopen、AutoID 或 OPC UA for IO-Link。这些信息模型对设备协调做出了重大贡献，它们可以在同一个接入点（节点 ID）上实现相同的信息。这意味着替换设备非常容易，即使它来源于另一个供应商。

OPC UA 发布/订阅：

OPC UA 中扩展后的发布/订阅机制采用专有的消息格式，即网络消息，使用不同于传统客户端/服务器模型的通信协议。所使用的是 MQTT、AMQP、OPC UA UDP 和 OPC UA Ethernet。值得关注的是，这四种协议位于三个不同的 TCP/IP 模型层上：网络层、传输层和应用层。

图 1 将“请求/响应”和“发布/订阅”两种机制并排进行对比。OPC UA 应用包含一个 OPC UA 服务器和一个 MQTT 客户端，并通过两个并行的 TCP 连接进行通信。一个连接用于将数据发布到 MQTT 代理，另一个连接用于从 OPC UA 客户端接收请求。无法避免应用与其并行通信。该应用的实现只需要两个 TCP 连接。优点是数据只存储一次，缺点是需要在两个独立的通道上传输。

OPC UA 在许多语法和语义上具备互操作性。在语法上，所有设备都使用相同的类型和服务进行通信。它们还使用信息模型，所有模型都以相同的格式存储在节点集文件中。节点集文件包含 OPC UA 中除基本建模规则外定义的所有节点和引用的集合，并以机器可读的格式提供信息模型中定义的数据。节点集文件提供语法和语义上的互操作性。从语法角度，这些文件具有相同的结构，可以从任何 OPC UA 应用进行解析。从语义角度，许多工作组正在努力协调其参数和过程数据的名称、方法可用性、事件等，以便实现不同的设备彼此相似且行为相似。例如 AutoID 信息模型，旨在统一所有识别设备，如RFID阅读器和条形码阅读器。此外，使用不同供应商的设备可能有一些特定的参数，仍应该遵循一个共通的基础架构和标准。这就简化了OPC UA 客户端的实现，不需要为各个定制版本建立链接。简而言之，OPC UA 能够实现机器与机器之间的交互。通过使用可视化工具将复杂的信息模型转换成用户友好的图形界面，也可以实现人与机器之间的交互。

扩展到发布/订阅领域后，OPC UA 在实时性能方面可能可以具有竞争机会。但是，OPC UA 传统的请求/响应通信模式在处理速度上很难媲比专为低延迟和高吞吐量设计的 MQTT 和 AMQP。

OPC UA 的 WS 安全对话遵循 Web 服务安全规范，并为 TCP 二进制路径创建了一个二进制格式的UA安全对话。此外，还提供安全机制，如用户名/密码、X.509 证书和签发的令牌，以及记录客户端更改的消息审计功能，跟踪更新的值和更改的时间。

OPC UA 具备多功能性，是一种可扩展的协议。除了标准安全扩展外，这通常只意味着关闭安全功能（不建议用于 OPC UA 或其他协议），OPC UA 至少可以通过两种方式进行扩展。为小型嵌入式设备选择合适的 OPC UA 配置文件（Nano Embedded Device Server Profile），可以将 TCP 的连接数限制为一个。此外，还可以将应用限制为基本信息模型，如数据访问 (DA)。

工作需求：

OPC UA 在概念上也很复杂，尤其是当涉及到构建完整的信息模型时。因此，我们建议用户直接使用与用例相匹配的现有信息模型。从协议和安全角度，我们也建议用户使用现有的库，并在其基础上进行构建。

OPC UA 适用于以下应用：共享数据需要标准化和统一化；设备需要使用相同的信息模型进行简单互换；需要使用事件、警报和历史数据；甚至是请求/响应和发布/订阅通信的混合应用。OPC UA 已在全球数百万的机器和工厂中投入使用，包括物流、汽车和化工行业等。