OPC UA

OPC Unified Architecture (англ. Унифицированная архитектура OPC) — спецификация, определяющая передачу данных в промышленных сетях и взаимодействие устройств в них. Разработана промышленным консорциумом OPC Foundation и значительно отличается от его предшествующих спецификаций. Первая версия Унифицированной архитектуры OPC была выпущена после 3 лет работ над спецификацией и еще 1 года прототипирования.

Нововведения

Предыдущие спецификации OPC Foundation опирались на механизмы COM/DCOM, но несмотря на то, что привязка к COM/DCOM помогает OPC хорошо работать в распределённых системах, имеются также и отрицательные стороны:

• частые проблемы с конфигурированием DCOM
• ненастраиваемые тайм-ауты
• доступность только в операционных системах Microsoft Windows
• неприменимость безопасности
• нет управления поверх DCOM (COM/DCOM представляется чёрным ящиком, разработчики не имеют доступа к исходному коду и поэтому вынуждены жить с багами или неполными реализациями)

Эти и другие причины породили решение о разработке нового независимого коммуникационного стека для OPC UA, который заменит COM/DCOM. Ожидаемыми характеристиками этого стека будут:

• реализация на портируемом языке программирования ANSI C
• масштабируемость от встраиваемых систем до мейнфреймов
• стек может быть скомпилирован как для многопоточного, так и для однопоточного/однозадачного исполнения, что необходимо для портирования стека на встраиваемые устройства
• собственная реализация безопасности, основанная на новых стандартах, реализующих «настоящую» безопасность
• настройка тайм-аутов для каждой службы
• формирование больших датаграмм.

Этот коммуникационный стек отражает только начало различных инноваций. Унифицированная архитектура OPC является сервисно-ориентированной архитектурой (SOA) и основана на различных логических уровнях.

Все Базовые Службы определенные OPC являются описаниями абстрактных методов, не зависящих от протокола и образующих основу всей функциональности унифицированной архитектуры OPC. Транспортный уровень этих методов в протокол, что подразумевает сериализацию/десереализацию данных и их передачу по сети. На данный момент существует два протокола предназначенных для этих целей. Один является двоичным, относительно высокопроизводительно оптимизированный протокол TCP и второй, на основе веб-служб. Информационная модель OPC больше не основывается только на иерархических папках, элементах и свойствах, вместо этого используется, так называемая, полная ячеистая сеть, основанная на узлах. Кроме того, эти узлы могут передавать всё многообразие метаинформации. В простейшем случае узел можно сравнить с объектом, известным из объектно-ориентированного программирования. Он имеет атрибуты доступные для чтения (DA, HDA), методы, которые могут быть вызваны (Commands), и инициирующие события (triggering events), которые могут быть переданы (AE, DA DataChange). Узлы используются для обработки данных наравне со всеми другими типами метаданных. Используемое пространство имён OPC теперь также включает модель типов, используемую для описания всех возможных типов данных. Основываясь на вышеизложенном, другие организации, например, EDDL, определяют свой собственный источник информации. Клиентское программное обеспечение может иметь возможность проверки того, какой из так называемых Профилей поддерживает сервер. Дополнительно, может быть получена информация о том, поддерживает ли сервер, например, профиль EDDL и, следовательно, клиент может узнать, что здесь также доступно описание определённого EDDL устройства. Добавленными новыми и важными возможностями OPC UA являются:

• Поддержка резервирования.
• Пульс соединения в обоих направлениях. Это означает, что и сервер, и клиент распознают разъединение.
• Буферизация данных и подтверждения передачи данных. Потеря соединения больше не приводит к потере данных. Потерянные датаграммы доставляются повторно.

Протоколы

Как описано выше есть два протокола. Прикладной программист будет распознавать это только через различие в URL передаваемые им для двоичного протокола opc.tcp://server и http://server для веб-служб. Иначе говоря, OPC UA работает полностью прозрачно для API.

1. Двоичный протокол

• лучшая производительность, минимальные накладные расходы
• потребляет минимум ресурсов (не требуются парсер XML, SOAP и HTTP, что важно для встраиваемых устройств)
• наилучшая возможная совместимость (двоичный код определён явно и допускает меньшую степень свободы в процессе исполнения в отличие от XML)
• всего один порт TCP (4840) используется для коммуникации и легко может быть туннелирован или пропущен через межсетевой экран.

2. Веб-службы (SOAP)

• лучшая поддержка из доступных инструментов. Легко может быть использован, например, из окружения Java или .Net.
• применимый с межсетевыми экранами. Порт 80 (http) и 443 (https) обычно будут использоваться без дополнительных настроек.

Так как имеющийся стек ANSI C поддерживает оба протокола, то ожидается, что большинство конечных продуктов смогут обмениваться информацией по более эффективному двоичному протоколу.

Спецификации

Спецификация OPC UA является многоэлементной и состоит из следующих частей:

1. Концепция
2. Модель безопасности
3. Модель адресного пространства
4. Службы
5. Информационная модель
6. Распределение служб
7. Профили
8. Доступ к данным
9. Аварийная сигнализация и условия
10. Программы
11. Доступ к историческим данным

В отличие от спецификаций основывающихся на COM, спецификации UA не являются чистыми определениями приложения. (не определяют реализацию?). Обычно они описывают внутренние механизмы Унифицированной архитектуры, обрабатываемые коммуникационным стеком и нормально лежащие вне пределов интереса тех, кто портирует стек на специфическое устройство, или тех, кто хочет реализовать свой собственный стек UA. Разработчик приложений OPC UA разрабатывает код против OPC UA API и, следовательно, взамен будет в основном использовать документацию API. Несмотря на это, части 3, 4 и 5 также могут быть неинтересны разработчикам приложений.

Коммуникационный стек OPC UA

Архитектура приложения OPC UA, независимо от того клиентская это часть или серверная, структурирована в следующие уровни.

Зелёные части равноценны COM прокси/заглушкам и предоставлены OPC Foundation. Новизна заключается в портируемом уровне, который позволяет легко портировать стек UA ANSI C также и на другие целевые платформы. Портированная версия для Windows и Linux также предоставляется OPC Foundation. Как описывалось ранее, могут быть разработаны приложения основанные на API, подобно тому как они программировались в прошлом для COM. На конференции OPC UA DevCon в октябре 2006 в Мюнхене в живую были представлены первые прототипы. Компания ascolab GmbH, которая также разработала стек ANSI C для OPC Foundation, представила разнообразные прототипы и продемонстрировала впечатляющее взаимодействие UA клиента под Windows/.NET и UA сервера под Linux. К тому же различные UA серверы были показаны на Beckhoff PLC и встраиваемых тестовых платах европейских производителей. Из-за того, что Beckhoff PLC основаны на Windows XP Embedded и встроенный контроллер основан на ОСРВ европейских производителей.

Модель безопасности OPC UA

Безопасность UA состоит из аутентификации и авторизации, шифрования и обеспечения целостности данных при помощи сигнатур. Для этого OPC Foundation не стала заново изобретать колесо, а ориентировалась на спецификации Web Service Security. Для веб-служб используются WS Secure Conversation и следовательно они совместимы с .NET и другими реализациями SOAP. Для двоичного протокола соблюдаются алгоритмы WS Secure Conversation и также конвертируются в двоичный эквивалент. Это теперь называется UA Secure Conversation.

(картинка)

Как видно из рисунка выше, также присутствует смешанная версия, где код двоичен, но транспортным уровнем является SOAP. Это компрометирует эффективность двоичного кодирования и удобной для межсетевых экранов передачи. Двоичное кодирование всегда требует UA Secure Conversation. При аутентификации используются исключительно сертификаты x509. На разработчиков приложений возлагается, чтобы сертификаты ограничивали приложение UA. Например, можно использовать Public Key Infrastructure (PKI) из Active Directory.

OPC UA API

Разработчикам UA предоставлена возможность программировать используя C API, комфортный C++ API или напрямую .NET API. Все программные интерфейсы предоставляют одинаковую функциональность. Коммуникационный стек и API предоставляются OPC Foundation.

Реализация на .NET

Реализация на .NET использует только низшую часть стека ANSI C и реализует остальную часть стека непосредственно в .NET. Это значит что только обработчики сокетов и формирование сообщений интегрированы из стека ANSI C. Десереализация имеет место непосредственно в .NET и следовательно конвертируется напрямую в структуры и объекты .NET. Это даёт лучшую производительность, чем сперва десереализация в структуру C и потом копирование данных в структуру .NET.

Реализация на Java

Различные стеки для Java уже разрабатываются. Но приблизились к .NET в основном 3 варианта. На сегодняшний день трудно определить какой является быстрейшим.

1. Наиболее вероятно, что быстрейшим вариантом (в терминах времени разработки) на данный момент является использование полного стека ANSI C и его инкапсуляция посредством JNI.

+ Этот метод использует производительность C при десереализации.

− Теряется простота портирования Java. Хотя стек может быть портирован на различные операционные системы, необходимо компилировать его под каждую отдельно;

− Необходимо копировать данные в границы JNI.

2. Код основывается напрямую на сетевом уровне (подобно реализации на .NET) и десереализуется в Java.

+ Одним копированием данных меньше.

− Остается зависимость от стека на C.

3. Реализация полностью на Java

+ Наилучшая портируемость.

− Требует значительных инженерных усилий на реализацию.

В качестве альтернативы есть простой вариант, поддерживающий только протокол веб-службы. Для этого необходим инструментарий SOAP, поддерживающий WS Security.

Ссылки

• OPC Foundation
• UA OPC SDK
• Android OPC UA SCADA