- OPC Unified Architecture
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OPC Unified Architecture, kurz OPC UA, ist ein industrielles M2M-Kommunikationsprotokoll. Als neueste aller OPC-Spezifikationen der OPC Foundation unterscheidet sich OPC UA erheblich von seinen Vorgängern, insbesondere durch die Fähigkeit, Maschinendaten (Prozesswerte, Messwerte, Parameter usw.) nicht nur zu transportieren, sondern auch maschinenlesbar semantisch zu beschreiben.
Nach über drei Jahren Spezifikationsarbeit und einem Jahr Prototypimplementierung wurde die erste Version der Unified Architecture im Herbst 2006 verabschiedet. Im Februar 2009 wurde eine überarbeitete Version der Teile 1 bis 5 und 8 sowie die erste Version der Teile 6 und 7 veröffentlicht.
Inhaltsverzeichnis
Neuerungen
Die ursprüngliche Bindung an COM/DCOM hat zwar einen großen Beitrag zur Verbreitung von OPC geleistet, hatte jedoch auch entscheidende Nachteile:
- Häufige Konfigurationsprobleme von DCOM
- Keine konfigurierbaren Timeouts
- Bindung an das Betriebssystem Windows
- Keine „echte“ Security
- Keine Kontrolle, was passiert (COM/DCOM ist eine Blackbox, Entwickler haben keinen Quellcode und sind Fehlern ausgeliefert)
Aus diesen und weiteren Gründen hat man sich dazu entschieden, einen eigenen Kommunikationsstack für OPC UA zu entwickeln, welcher COM/DCOM ersetzt. Die wichtigsten Merkmale dieses Kommunikationsstacks sind:
- Neben einer portablen ANSI-C Implementierung werden sowohl eine C#- als auch eine Java-Implementierung unterstützt.
- Skalierbarkeit von eingebetteter Steuerungssoftware bis hin zu betrieblichen- bzw. Management-Informationssystemen
- Der Stack kann sowohl für Multithreaded-Betrieb als auch für den Singlethreaded/Singletask-Betrieb kompiliert werden, was wichtig für die Portierung auf Embedded-Geräte ist.
- Eine eigene Security-Implementierung, basierend auf den neuesten Standards, sorgt für „echte“ Security.
- Konfigurierbarkeit von Timeouts für jeden Serviceaufruf
- Chunking von großen Datenpaketen
Dieser Kommunikationsstack stellt aber nur den Anfang vieler Neuerungen dar. Die OPC-UA-Architektur ist eine Service-orientierte Architektur (SOA), deren Struktur aus mehreren Schichten besteht.
OPC-UA-Architektur
Alle von OPC definierten grundlegenden Dienste (Base-Services) sind abstrakte Methodenbeschreibungen, die protokollunabhängig sind, und stellen die Grundlage für die gesamte OPC-UA-Funktionalität bereit.
Durch die Transportschicht werden diese Methoden mittels eines Protokolls ausgeführt, das die Daten serialisert/deserialisiert und über das Netz sendet. Momentan sind zwei Protokolle dafür vorgesehen: ein hoch optimiertes und performantes TCP-Protokoll mit Binärkodierung und ein auf Webservices basierendes Protokoll. Weitere Protokolle sind möglich und können bei Bedarf ergänzt werden.
Das OPC-Informationsmodell ist nicht mehr nur eine Hierarchie aus Ordnern, Items und Properties. Es ist ein sogenanntes Full-Mesh-Network aus Nodes, mit dem neben den Nutzdaten eines Nodes auch Meta- und Diagnoseinformationen repräsentiert werden. Ein Node ähnelt einem Objekt aus der objektorientierten Programmierung. Ein Node kann Attribute besitzen, die gelesen werden können (Data Access (DA), Historical Data Access (HDA)). Es ist möglich Methoden zu definieren und aufzurufen. Eine Methode besitzt Aufrufargumente und Rückgabewerte. Sie wird durch ein Command aufgerufen. Weiterhin werden Events unterstützt, die versendet werden können (AE, DA DataChange), um bestimmte Informationen zwischen Geräten auszutauschen. Ein Event besitzt unter anderem einen Empfangszeitpunkt, eine Nachricht und einen Schweregrad. Die o. g. Nodes werden sowohl für die Nutzdaten als auch alle anderen Arten von Metadaten verwendet. Der damit modellierte OPC-Adressraum beinhaltet nun auch ein Typmodell, mit dem sämtliche Datentypen spezifiziert werden.
Darauf aufsetzend spezifizieren verschiedene andere Organisationen wie z. B. EDDL eigene Informationsmodelle. Clients haben die Möglichkeit, zu überprüfen, welche sogenannten „Profile“ ein Server unterstützt. Damit kann überprüft werden, ob ein Server nur DA-Funktionalität unterstützt oder aber auch AE, HDA etc. Es kann aber auch gelesen werden, ob ein Server z. B. das EDDL-Profil unterstützt, und somit weiß ein Client, dass auch EDDL-spezifische Gerätebeschreibungen verfügbar sind.
Weitere neue und wichtige Feature von OPC UA sind
- Redundanz
- Heartbeat zur Verbindungsüberwachung in beide Richtungen, d. h. sowohl Server als auch Client bemerken Unterbrechungen.
- Pufferung von Daten und Acknowlegements von übertragenen Daten. Verbindungsunterbrechungen führen nicht mehr zu Datenverlust. Verlorene Daten können erneut angefordert werden.
Protokolle
Wie schon erwähnt gibt es zwei Protokolle. Als Anwendungsentwickler bemerkt man das nur an der zu übergebenden URL: opc.tcp://Server für Binärprotokoll und http://Server für Webservice. Ansonsten funktioniert OPC UA völlig transparent an der API.
1. Binärprotokoll
- beste Performance, am wenigsten Overhead
- Verbraucht am wenigsten Ressourcen (kein XML-Parser, SOAP und HTTP notwendig → wichtig für Embedded-Geräte)
- beste Interoperabilität (binär ist genau spezifiziert, nicht so viele Freiheitsgrade wie mit XML)
- Ein einziger TCP-Port (4840) wird für die Kommunikation verwendet und kann auch leicht getunnelt oder in einer Firewall freigeschaltet werden.
2. Webservice (SOAP)
- beste Tool-Unterstützung. Kann z. B. auch leicht aus Java und .net verwendet werden.
- Firewall-freundlich. Port 80 (http) und 443 (https) funktionieren meistens ohne weitere Konfiguration.
Da der zur Verfügung gestellte ANSI-C-Stack beide Protokolle beherrscht, wird erwartet, dass die meisten Produkte mit dem effizienten Binärprotokoll kommunizieren werden.
Spezifikationen
Die OPC-UA-Spezifikation ist eine Multipart-Spezifikation und besteht aus den folgenden Teilen:
- Concepts
- Security Model
- Address Space Model
- Services
- Information Model
- Mappings
- Profiles
- Data Access
- Alarms and Conditions
- Programs
- Historical Access
- Discovery
- Aggregates
Im Gegensatz zu den auf COM basierenden Spezifikationen sind die UA-Spezifikationen keine reinen Anwenderspezifikationen. Sie beschreiben großteils UA-Interna, die vom Kommunikationsstack gehandelt werden, und sind nur interessant für Leute, die den Stack portieren oder einen eigenen UA-Stack implementieren wollen.
Die OPC-UA-Anwendungsentwickler setzen auf einer OPC-UA-API auf und werden deshalb hauptsächlich die API-Dokumentation verwenden. Interessant für Anwender sind jedoch Part 3, 4, und 5.
OPC UA Kommunikations Stack
Der Aufbau einer UA Applikation, egal ob Server oder Client, gliedert sich in folgende Schichten.
Die grünen Teile entsprechen den ehemaligen COM Proxy/Stubs und werden von der OPC Foundation zur Verfügung gestellt. Neu ist die Portierungsschicht, welche es ermöglicht auf einfache Weise den UA ANSI C Stack auch auf andere Plattformen zu portieren. Ein Portlayer für Windows und Linux wird ebenfalls von der OPC Foundation zur Verfügung gestellt. Auf der API aufbauend werden die Applikationen entwickelt, ähnlich wie es auch bei COM der Fall war.
Auf der OPC UA DevCon im Oktober 2006 in München wurden bereits erste Prototypen demonstriert. Die Firma ascolab GmbH, welche auch den ANSI-C-Stack für die OPC Foundation entwickelte, führte verschiedene Prototypen vor und demonstrierte die Interoperabilität zwischen einem Windows/.NET UA Client und einem Linux UA Server.
Weiter wurden verschiedene UA Server auf einer Beckhoff-PLC (SPS) und von EUROS Embedded Systems GmbH auf einem Embedded-Testboard vorgestellt. Wobei die Beckhoff-PLC auf Windows XP embedded basierte und der Embedded Controller auf dem Echtzeitbetriebssystem EUROS.
UA Security
UA Security beinhaltet Authentifizierung und Autorisierung, Verschlüsselung und Datenintegrität durch Signieren. Die OPC Foundation hat dabei das Rad nicht neu erfunden, sondern orientiert sich dabei an den Web-Service-Security-Spezifikationen. Für Web Services wird direkt WS Secure Conversation verwendet und ist somit kompatibel zu .Net und anderen SOAP-Implementierungen. Für die binäre Variante wurden die Algorithmen von WS Secure Conversation übernommen und ebenfalls in ein binäres Äquivalent umgesetzt. Dieses wird nun als UA Secure Conversation bezeichnet.
Wie man dem Bild entnehmen kann gibt es auch eine Mischvariante, bei der zwar binär kodiert wird, jedoch SOAP für den Transport verwendet wird. Dies stellt einen Kompromiss aus effizienter binärer Kodierung und Firewall-freundlicher Übertragung dar. Binäre Kodierung erfordert immer auch UA Secure Conversation.
Für die Authentifizierung werden X.509-Zertifikate verwendet. Es obliegt dem Anwendungsentwickler, an welchen Zertifikatsspeicher die UA-Applikation angebunden wird. Es ist z.B. möglich die Public Key Infrastructure (PKI) eines Active Directory zu verwenden.
OPC UA APIs
Für UA-Entwickler wird es die Möglichkeit geben, direkt auf einer C-API aufzusetzen, einer komfortableren C++-API oder eine .NET-API. Alle APIs werden dieselbe Funktionalität aufweisen, und, soweit es die Programmiersprachen erlauben, ähnlich in der Anwendung sein.
Der Kommunikationsstack und diese APIs werden von der OPC Foundation zur Verfügung gestellt.
.NET-Implementierung
Die .NET-Implementierung verwendet nur den untersten Teil des ANSI-C-Stacks und implementiert ansonsten den restlichen Stack in .NET. D.h., nur das Socket-Handling und Message-Chunking wird vom ANSI-C-Stack übernommen, das Deserialisieren erfolgt in .NET und führt somit direkt zu .NET-Objekten. Dieses Vorgehen ist performanter gegenüber der Deserialisierung in eine C-Struktur und anschließendes Kopieren in ein .NET-Objekt.
Java-Implementierung
Verschiedene Prototypen für Java sind schon in Entwicklung. Dabei gibt es wie auch bei .Net grundsätzlich 3 Varianten. Momentan kann man schwer abschätzen, welche die schnellste Variante ist.
1. Die schnellste (im Sinne von Entwicklungszeit) Variante momentan ist, den kompletten ANSI-C-Stack zu verwenden und diesen via JNI zu kapseln.
- - Ein Nachteil ist, dass man damit die einfache Java-Portabilität verliert. Der Stack kann zwar auf verschiedene Betriebssysteme portiert werden, muss dazu aber neu kompiliert werden.
- - Die Daten müssen an der JNI-Grenze kopiert werden.
- + Man nutzt die Geschwindigkeitsvorteile von C bei der Deserialisierung.
2. Man setzt wie bei der momentanen .Net-Implementierung direkt auf der Netzwerkschicht auf und deserialisiert in Java.
- + Man spart sich einmal umkopieren
- - weiterhin abhängig vom C Stack.
3. Komplette Implementierung in Java.
- + Beste Portabilität
- - Am meisten Aufwand
Alternativ gibt es noch die einfache Variante, nur das WebService-Protokoll zu verwenden. Dazu benötigt man ein SOAP-Toolkit, welches auch WS-Security unterstützt.
OPC UA Wrapper
Zur Verwendung bereits vorhandener DCOM-OPC-Geräten und Software stellt die OPC Foundation sogenannte Wrapper zur Verfügung. Diese „übersetzen“ DCOM OPC in OPC UA sowie OPC UA in DCOM OPC.
Normung
OPC UA wurde auch als IEC-Normenreihe IEC 62541 veröffentlicht. Bisher liegen Teil 1 bis 6 sowie 8 als Ed. 1.0 vor.
Übersicht über die Normenreihe IEC 62541 Nummer Ausgabedatum Englischer Titel Deutscher Titel IEC/TR 62541-1 Februar 2010 OPC Unified Architecture - Part 1: Overview and Concepts OPC Unified Architecture - Teil 1: Übersicht und Konzepte IEC/TR 62541-2 Februar 2010 OPC Unified Architecture - Part 2: Security Model OPC Unified Architecture - Teil 2: Modell für die IT-Sicherheit IEC 62541-3 Juli 2010 OPC unified architecture - Part 3: Address Space Model OPC Unified Architecture - Teil 3: Adressraummodell IEC 62541-4 Oktober 2011 OPC unified architecture - Part 4: Services OPC Unified Architecture - Teil 4: Dienste IEC 62541-5 Oktober 2011 OPC unified architecture - Part 5: Information Model OPC Unified Architecture - Teil 5: Informationsmodell IEC 62541-6 Oktober 2011 OPC unified architecture - Part 6: Mappings OPC Unified Architecture - Teil 6: Protokollabbildungen IEC 62541-7 Entwurf OPC Unified Architecture - Part 7: Profiles OPC Unified Architecture - Teil 7: Profile IEC 62541-8 Oktober 2011 OPC unified architecture - Part 8: Data Access OPC Unified Architecture - Teil 8: Datenzugriff IEC 62541-9 Entwurf OPC Unified Architecture - Part 9: Alarms and conditions OPC Unified Architecture - Teil 9: Alarme und Zustände IEC 62541-10 Entwurf OPC Unified Architecture - Part 10: Programs OPC Unified Architecture - Teil 10: Programme Literatur
- Wolfgang Mahnke, Stefan-Helmut Leitner, Matthias Damm: OPC Unified Architecture. Springer Verlag, 2009; englisch, ISBN 978-3-540-68898-3
Weblinks
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