【OPC UA通讯协议进阶课】：高级功能与定制应用


参考资源链接：[汇川PLC OPCUA通讯配置详解](https://wenku.csdn.net/doc/8aiudpvm9d?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. OPC UA通讯协议概述

## OPC UA通讯协议基础
在当今的工业自动化和信息交换领域，OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）已成为跨平台、跨厂商的通信标准。本章将提供OPC UA通讯协议的基本知识，帮助读者了解其核心价值和基本结构。

## OPC UA协议的核心要素
OPC UA协议的几个核心要素包括：平台无关性、安全性、信息模型、服务导向架构等。它不仅兼容了传统的OPC Classic的许多功能，还引入了新的特性，如强化的安全性，以适应现代工业互联网的需求。

## OPC UA与传统OPC对比
与传统OPC相比，OPC UA不再依赖于COM/DCOM技术，这大大提高了它的可配置性和可扩展性。它支持更广泛的编程语言和操作系统，从而成为工业物联网中设备通讯的首选协议。

通过以上内容，我们可以看出OPC UA在工业通讯中的重要地位，以及它如何为各种行业应用提供强大的基础设施支持。接下来的章节将深入探讨OPC UA的通讯机制和高级功能。

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# 第二章：OPC UA通讯机制深入剖析

## 2.1 OPC UA的数据模型

### 2.1.1 节点和引用的基本概念

在OPC UA中，所有信息都被组织在一个分层的地址空间中。这个地址空间由节点（Nodes）组成，每个节点代表了信息模型中的一个元素。节点通过引用（References）相互连接，形成了一个高度灵活的信息结构。

节点是数据模型中最小的信息单位，可以代表各种对象，如变量、方法或对象类型等。每个节点都具有一组属性，这些属性定义了节点的语义和行为。例如，一个变量节点可能会有一个值属性和一个数据类型属性。

**节点的类型包括但不限于：**
- 对象节点（Object Nodes）：代表现实世界中的对象。
- 变量节点（Variable Nodes）：代表可读写的值。
- 方法节点（Method Nodes）：代表可执行的方法。
- 视图节点（View Nodes）：代表一组节点的集合，可以用来过滤和展示地址空间中的信息。

引用定义了节点之间的关系，使得地址空间形成了一个复杂的网络。引用具有方向性，表明了源节点到目标节点的关系，并且可以携带各种属性，例如命名空间索引、引用类型等。这些属性描述了引用的意图和行为。

**引用的类型包括但不限于：**
- HasComponent引用：表明一个节点是另一个节点的组成部分。
- HasProperty引用：表明一个节点具有描述它的属性。
- HasOrderedComponent引用：类似于HasComponent，但用于表示有序的组成部分。

节点和引用共同构成了OPC UA的核心数据模型，为工业通信提供了一种标准和统一的方法。

### 2.1.2 数据类型和编码机制

OPC UA支持多种数据类型，允许开发者表示各种复杂的数据结构。数据类型不仅可以是基本类型，如布尔值、数字和字符串，也可以是复杂类型，如结构体和枚举。这些类型在OPC UA的地址空间中有明确的定义，并与特定的编码规则相对应。

**数据类型分为：**
- 基本数据类型：如 Boolean, Integer, Float 等。
- 复杂数据类型：如 DateTime, GUID, LocalizedText 等。
- 结构体数据类型：用户自定义的复杂数据类型，可以包含多种数据类型。
- 枚举数据类型：一组命名的值，每个枚举值都有一个唯一的整数值。

为了在通信过程中交换数据，OPC UA定义了一套编码规则，确保数据在不同平台和语言间可以准确无误地传递。编码机制不仅需要高效地将数据转换为字节流，还需要具备跨平台兼容性和扩展性。

编码规则涉及的细节包括：
- 数据结构的序列化与反序列化：将数据结构转换成字节流，并能够从字节流中恢复原始数据结构。
- 网络字节顺序：考虑到不同系统可能有不同的字节序（字节排序），OPC UA规定了统一的网络字节顺序。
- 二进制与XML编码：为了适应不同的使用场景，OPC UA支持二进制编码和XML编码两种方式。

例如，考虑下面的一个简单数据结构：

<UAObject NodeId="ns=4;s=Demo.Static.ScalarTypes" BrowseName="Static.ScalarTypes">
    <DisplayName>Static.ScalarTypes</DisplayName>
    <Description>A Node to hold some statically defined scalar values.</Description>
    <Organizes>
        <Reference ReferenceType="Organizes" IsForward="false">ns=4;s=Demo</Reference>
    </Organizes>
    <Variable NodeId="ns=4;s=Demo.Static.ScalarTypes.Int32" BrowseName="Int32">
        <DisplayName>Int32</DisplayName>
        <Value>100</Value>
        <DataType>Int32</DataType>
        <ValueRank>-1</ValueRank>
        <AccessLevel>CurrentRead</AccessLevel>
    </Variable>
</UAObject>

上述代码表示了一个OPC UA对象节点，它包含了一个整型变量节点。该变量节点具有一个值属性，其值为100，数据类型为Int32。通过 OPC UA 的编码机制，这个数据结构可以在 OPC UA 客户端和服务器之间进行传输。

## 2.2 OPC UA的安全通信

### 2.2.1 安全策略和认证过程

在自动化和工业互联网领域，OPC UA的数据通常需要在开放的网络中传输，因此数据的安全性显得尤为重要。OPC UA提供了强大的安全机制来保证数据在传输过程中的完整性和保密性。这些机制包括认证、授权、加密和审计等。

OPC UA 的安全策略基于传输层安全协议，如TLS（传输层安全）和DTLS（数据报传输层安全）。TLS/DTLS 为 OPC UA 应用提供了数据加密、数据完整性和身份验证等服务。安全策略包括：
- None：不使用任何安全措施。
- Basic128Rsa15：使用128位AES加密，RSA签名和RSA密钥交换。
- Basic256：使用256位AES加密，RSA签名和RSA密钥交换。
- Basic256Sha256：类似于Basic256，但使用SHA-256签名算法。

在安全通信建立之前，必须进行认证过程，以确保通信双方的身份是可信的。认证过程通常涉及证书交换和证书验证，其中证书由证书颁发机构（CA）签发。服务器需要有一个有效的服务器证书，而客户端也需要有一个有效的客户端证书，或者可以通过其他认证手段（如用户名和密码）进行认证。

认证过程包括以下几个步骤：
1. 通信双方建立连接。
2. 客户端请求服务器的证书。
3. 服务器将服务器证书发送给客户端。
4. 客户端验证服务器证书的有效性。
5. 客户端将客户端证书发送给服务器（如果使用证书认证）。
6. 服务器验证客户端证书的有效性。

通过这些步骤，OPC UA确保了连接的安全性，并且客户端和服务端能够信任对方。这样的机制对于保护关键数据和防止未授权访问是至关重要的。

### 2.2.2 安全通讯的实现细节

为了深入理解如何实现OPC UA的安全通信，我们需要探讨一些关键的技术细节和实现步骤。下面将通过代码示例和逻辑分析，说明如何在实际环境中设置安全通信。

**首先，服务器端需要配置证书和相关的安全策略。** 在服务器应用程序中，通常需要设置一个证书存储，其中包含服务器的证书和私钥，以及任何用于客户端认证的证书。

// 示例代码：配置服务器证书
var certificateStore = new X509CertificateStore(CertificateStoreIdentifier.LocalMachine, "OPC Foundation/UA Certificate Store");
certificateStore.Certificates.Add(certificate);

**服务器端还需要定义支持的安全策略集合**。这涉及到决定哪些安全级别是必须的，以及如何使用它们来保护通信。

// 示例代码：定义支持的安全策略集合
var endpointDescription = new EndpointDescription
{
    SecurityPolicyUri = SecurityPolicies.Basic128Rsa15Uri, // 使用Basic128Rsa15安全策略
    SecurityMode = MessageSecurityMode.SignAndEncrypt,
    ...
};

**客户端在连接服务器之前需要进行相应的配置**。客户端需要知道服务器使用的证书和期望的安全策略，以及如何提供自己的证书（如果需要）。

// 示例代码：配置客户端证书
var endpoint = new ConfiguredEndpoint(null, endpointDescription);
endpoint.SecurityConfiguration.Certificate = clientCertificate;

**一旦建立了连接，OPC UA将负责按照配置的安全策略执行必要的安全措施**。这包括握手协议（Handshake），在握手过程中，双方交换证书，并且可能进行密钥交换。握手成功后，通信双方会协商加密算法和密钥，然后所有的数据交换都会被加密和签名。

// 示例代码：建立连接并执行握手
var connection = endpoint.CreateConnection();
connection.Connect(revisedEndpoint);

在上述过程中，OPC UA确保了通信的每个步骤都符合预定的安全标准。密钥的生成、交换和使用，以及加密和签名的执行，都是在OPC UA的安全架构内部透明地进行的。

## 2.3 OPC UA的信息模型

### 2.3.1 信息模型的构建与管理

OPC UA的信息模型构建在地址空间的概念之上，信息模型定义了如何在OPC UA的地址空间中组织节点。信息模型支持高度的灵活性和扩展性，允许用户构建符合特定工业需求的数据模型。

构建信息模型通常涉及以下步骤：

1. **定义对象类型和对象实例：** 在OPC UA中，对象类型类似于面向对象编程中的类，而对象实例则类似于类的实例。对象类型定义了一组属性和方法，这些可以被不同的对象实例继承。

2. **创建变量和变量类型：** 变量代表了可以读写的数据点，变量类型则定义了变量的结构和数据类型。创建变量时可以指定其是否可变、数据类型、初始值等。

3. **创建引用并构建层级关系：** 通过创建引用，节点之间可以形成层级和关联关系，这样可以更有效地组织信息。引用类型定义了节点之间的关系，比如“HasComponent”、“HasProperty”等。

4. **使用视图节点组织和过滤信息：** 视图节点可以用来创建节点的子集，这对于展示特定的节点、管理和访问控制特别有用。

通过这些步骤，可以在OPC UA的地址空间中构建起层次化的信息模型，使得数据具有结构化和可查询性。信息模型的构建依赖于OPC UA的建模语言，例如UML（统一建模语言），这使得开发者可以使用熟悉的工具和概念来设计信息模型。

### 2.3.2 订阅与监视机制

OPC UA提供了一种强大的机制来监视数据变化，这就是订阅和监视机制。监视机制允许客户端请求服务器监视节点的特定属性，并在这些属性发生变化时通知客户端。这种机制非常适用于实时系统和需要及时响应变化的应用。

**创建订阅：** 客户端首先需要创建一个订阅（Subscription），这是一个持续的通信通道。创建订阅时，客户端会指定一个监控间隔和所需的监视参数。监控间隔定义了服务器检查数据变化的频率。

// 示例代码：创建订阅
var subscriptionParameters = new SubscriptionParameters
{
    PublishingEnabled = true,
    Priority = 0,
    PublishingInterval = 1000,
    LifeTimeCount = 10000,
    MaxKeepAliveCount = 10
};
var subscriptionId = subscriptionService.CreateSubscription(subscriptionParameters);

**添加监视项：** 创建订阅之后，客户端可以为感兴趣的节点添加监视项。监视项指定了要监视的节点、监视参数以及用户想接收的通知类型。

// 示例代码：添加监视项
var monitoredItemParameters = new MonitoredItemParameters
{
    AttributeId = Attributes.Value,
    MonitoringMode = MonitoringMode.Report,
    RequestedParameters = new MonitoringParameters
    {
        ClientHandle = 1,
        SamplingInterval = 1000,
        Filter = new SimpleAttributeOperand
        {
            TypeDefinitionId = NodeId