通信協(xié)議構(gòu)成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things, IIoT）系統(tǒng)的核心，可確保網(wǎng)絡(luò)連通，進(jìn)而執(zhí)行設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。OPC Unified Architecture（OPC UA）提供了令人信服的解決方案，能夠滿(mǎn)足IIoT系統(tǒng)各垂直層的要求。作為獨(dú)立平臺(tái)，OPC UA具有高度可擴(kuò)展性，適用于從最小型傳感器到主機(jī)再到云應(yīng)用程序的各類(lèi)集成化網(wǎng)絡(luò)。OPC UA使用X.509證書(shū)，可在確保數(shù)據(jù)安全的同時(shí)提供多種用戶(hù)與應(yīng)用程序身份驗(yàn)證機(jī)制。OPC UA獨(dú)立于在傳輸基于TCP的二進(jìn)制和HTTP/HTTPS數(shù)據(jù)時(shí)所使用的底層傳輸和有效協(xié)議綁定。此外，發(fā)布/訂閱通信模型目前也已經(jīng)集成在其中。OPC UA提供完全面向?qū)ο?，同時(shí)包含元數(shù)據(jù)和對(duì)象描述的地址空間。OPC UA符合IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62541），它提供工具與實(shí)驗(yàn)室支持，可進(jìn)行測(cè)試和合規(guī)性驗(yàn)證。

IIoT擁有眾多促成因素，包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和安全協(xié)議等多項(xiàng)技術(shù)。在這些IIoT促成因素中，通信協(xié)議是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通信協(xié)議構(gòu)成IIoT系統(tǒng)的核心，可確保網(wǎng)絡(luò)連通，并架起了應(yīng)用程序之間的連接“橋梁”。

盡管IIoT中的“物”各不相同，但仍可作出幾個(gè)基本假定：安全性是一個(gè)核心需求； 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理均可在云端進(jìn)行； 涉及多種設(shè)備，從微控制器到高性能系統(tǒng)； 以無(wú)線(xiàn)方式連接； 路由信息需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

鑒于存在上述假定情況以及特定應(yīng)用和業(yè)務(wù)模型要求，如何選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

OPC UA提供了令人信服的解決方案，能夠連接IIoT系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)應(yīng)用程序。OPC UA可提供分層模型，將信息的配置、格式化和打包操作與底層通信協(xié)議分離開(kāi)來(lái)，從而幫助用戶(hù)選擇與特定部署環(huán)境最契合的最佳通信協(xié)議。OPC UA的“發(fā)布訂閱”擴(kuò)展功能，可為無(wú)法很好兼容客戶(hù)端服務(wù)器通信模型的IIoT典型應(yīng)用程序用例提供解決方案。

OPC UA旨在為種類(lèi)繁多的系統(tǒng)提供支持，無(wú)論是PLC還是企業(yè)服務(wù)器，無(wú)論其尺寸、性能、托管平臺(tái)和功能存在多少差異，OPC UA均能滿(mǎn)足其需要。OPC UA符合IEC 62541標(biāo)準(zhǔn)，因此已經(jīng)過(guò)中立組織驗(yàn)證，確認(rèn)其符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

OPC UA的核心設(shè)計(jì)在于可擴(kuò)展性。就OPC UA而言，穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)目標(biāo)是避免將技術(shù)局限在基于COM的OPC所構(gòu)建的圍墻之內(nèi)，同時(shí)確保OPC UA能夠兼容未來(lái)技術(shù)并擺脫日漸淘汰的技術(shù)。為此，OPC UA以抽象方式定義了服務(wù)和相關(guān)概念，并進(jìn)一步定義了抽象規(guī)范和實(shí)施此規(guī)范所用技術(shù)間的“映射”。OPC UA技術(shù)映射分為三組：數(shù)據(jù)編碼、安全協(xié)議和傳輸協(xié)議。不同映射相結(jié)合，共同創(chuàng)建一個(gè)配置文件。客戶(hù)端和服務(wù)器應(yīng)用程序可支持一個(gè)或多個(gè)配置文件，但必須實(shí)施至少一個(gè)公共配置文件以進(jìn)行通信。

OPC UA地址空間模型將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)一到單一OPC UA服務(wù)器中。OPC UA地址空間架構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，不僅包括實(shí)例，還包括類(lèi)型，且均能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行導(dǎo)航。 

OPC對(duì)象模型描述了客戶(hù)端如何訪問(wèn)服務(wù)器上的信息。該模型定義了一組標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，可用來(lái)表示地址空間內(nèi)的對(duì)象、對(duì)象屬性、方法、事件以及對(duì)象間的關(guān)系。建立這些基本概念后，OPC UA可對(duì)任何對(duì)象進(jìn)行建模。相關(guān)對(duì)象及其關(guān)系經(jīng)過(guò)分組，即形成信息模型。

OPC UA指定了若干通用信息模型。這些信息模型包括：

數(shù)據(jù)訪問(wèn)（DA）

此信息模型描述定義模擬和離散變量、工程單位和質(zhì)量代碼的自動(dòng)化數(shù)據(jù)表示形式。

報(bào)警和條件（AC）

此信息模型定義狀態(tài)變化觸發(fā)事件時(shí)的狀態(tài)處理方式?？蛻?hù)端可為選定事件注冊(cè)，并定義篩選器來(lái)識(shí)別這些事件的特性，希望將相關(guān)內(nèi)容包含在待接收的事件通知當(dāng)中。

歷史訪問(wèn)（HA）

此信息模型描述客戶(hù)端如何讀取和寫(xiě)入歷史數(shù)據(jù)及歷史事件。歷史數(shù)據(jù)的實(shí)際位置為獨(dú)立的信息模型，可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)或其他存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

程序

程序代表批處理過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制等復(fù)雜任務(wù)。每個(gè)程序由一個(gè)狀態(tài)機(jī)表示。狀態(tài)機(jī)本身使用OPC UA對(duì)象模型來(lái)建模。

OPC UA安全模型是一種三層式方法，每一層都有特定的安全相關(guān)責(zé)任。模型頂部為應(yīng)用層，負(fù)責(zé)通過(guò)會(huì)話(huà)內(nèi)客戶(hù)端和服務(wù)器之間的設(shè)備來(lái)傳送工廠信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。會(huì)話(huà)提供用戶(hù)驗(yàn)證和授權(quán)。OPC UA會(huì)話(huà)在安全通道（同時(shí)也是通信層之間的連接）之上運(yùn)行。安全通道可對(duì)會(huì)話(huà)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名和加密，從而保障數(shù)據(jù)安全。安全通道也負(fù)責(zé)客戶(hù)端和服務(wù)器應(yīng)用之間的相互驗(yàn)證和授權(quán)。底部的傳輸層負(fù)責(zé)傳送和接收受保護(hù)的數(shù)據(jù)。為確?？捎眯?，已在傳輸層定義了錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。

制定OPC規(guī)范的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互操作性。為確保產(chǎn)品切實(shí)符合規(guī)范，必須對(duì)其進(jìn)行一系列用于證明規(guī)范符合度的測(cè)試。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)期間和之后，供應(yīng)商都能使用OPC UA符合性測(cè)試工具（CTT）來(lái)確定是否遵守通用規(guī)范。供應(yīng)商也可通過(guò)參加OPC Foundation主辦的互操作性研討會(huì)來(lái)評(píng)估互操作性就緒程度。OPC Foundation還會(huì)維護(hù)獨(dú)立的認(rèn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，供應(yīng)商可在此對(duì)其 OPC UA產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證。除了驗(yàn)證是否符合規(guī)范，實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證過(guò)程還包括眾多故障和壓力場(chǎng)景，可檢驗(yàn)一些參考客戶(hù)端和服務(wù)器的互操作性。

IEC 62541中定義的 OPC UA包括前文所述的特性。這些特性構(gòu)成IIoT促成因素的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但是我們還需要一個(gè)數(shù)據(jù)交換模型作為關(guān)鍵促成因素，該模型應(yīng)高效、性能出色、穩(wěn)定且可擴(kuò)展，能夠與一對(duì)多、多對(duì)一或多對(duì)多配置配合使用。OPC Foundation的工作組正在著手對(duì) OPC UA進(jìn)行增補(bǔ)，希望在OPC UA規(guī)范組合中增加一個(gè)發(fā)布訂閱模型。到目前為止，Classic OPC和OPC UA都支持通過(guò)客戶(hù)端服務(wù)器模型交換數(shù)據(jù)。圖中顯示了不同數(shù)據(jù)交換模型之間的關(guān)鍵區(qū)別。

在本例中，單個(gè)OPC UA服務(wù)器將其地址空間暴露給n個(gè)傳統(tǒng)OPC UA客戶(hù)端以及n個(gè)訂閱者。OPC UA客戶(hù)端1-n與OPC UA服務(wù)器之間的連接代表傳統(tǒng)的客戶(hù)端服務(wù)器模型，其中每個(gè)OPC UA客戶(hù)端與OPC UA服務(wù)器建立一個(gè)單獨(dú)的請(qǐng)求響應(yīng)會(huì)話(huà)。在客戶(hù)端服務(wù)器模型中，由客戶(hù)端定義要從服務(wù)器接收哪些信息。這意味著每個(gè)客戶(hù)端要負(fù)責(zé)與服務(wù)器建立安全會(huì)話(huà)，配置一個(gè)或多個(gè)訂閱，并且配置其感興趣的OPC服務(wù)器地址空間中的項(xiàng)目。單一服務(wù)器可以滿(mǎn)足數(shù)百個(gè)多客戶(hù)端信息請(qǐng)求，其中客戶(hù)端與服務(wù)器之間的每個(gè)請(qǐng)求響應(yīng)連接皆為單獨(dú)維護(hù)。如圖所示，對(duì)相同信息的多個(gè)客戶(hù)端請(qǐng)求由來(lái)自UA服務(wù)器的單獨(dú)響應(yīng)提供服務(wù)。

從圖中還可看出，無(wú)論是哪一個(gè)客戶(hù)端，均由相同的OPC UA服務(wù)器作為其數(shù)據(jù)發(fā)布者。發(fā)布訂閱模型解除了客戶(hù)端（即訂閱者1或訂閱者n）與OPC UA服務(wù)器在容量上的配對(duì)。數(shù)據(jù)“發(fā)布”至由Microsoft Azure等現(xiàn)有中間件進(jìn)行管控的全局空間。與由客戶(hù)端決定訂閱內(nèi)容的客戶(hù)端服務(wù)器模型相比，發(fā)布訂閱模型是在OPC UA服務(wù)器上配置發(fā)布的數(shù)據(jù)集。 

OPC UA服務(wù)器可以同時(shí)支持客戶(hù)端服務(wù)器模型和發(fā)布訂閱模型。此外，添加發(fā)布訂閱模型不會(huì)對(duì)現(xiàn)有OPC UA規(guī)范組合造成破壞。這證明了OPC符合打造“適合未來(lái)發(fā)展”規(guī)范的設(shè)計(jì)原則。

OPC UA通過(guò)安全性和交付保障增強(qiáng)局域網(wǎng)上的UDP多播組。OPC UA服務(wù)器定期向已配置的多播組發(fā)布UDP數(shù)據(jù)報(bào)。UA信息模型組件支持連接、群組和消息編寫(xiě)程序，并且專(zhuān)為使用UDP的高速對(duì)等通信而設(shè)計(jì)。UDP并不提供交付、排序或復(fù)制保護(hù)的保證，但UA信息模型在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這些情況。

通常，任何發(fā)布訂閱模型都可啟用一對(duì)多、多對(duì)一或多對(duì)多配置。在并入OPC UA時(shí)，可以設(shè)想特定領(lǐng)域的使用情景，包括對(duì)等控制器/設(shè)備通信；控制器/設(shè)備和 HMI 通信； 向通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)連接的高級(jí)應(yīng)用客戶(hù)端交付過(guò)程消息，其中客戶(hù)端可能位于局域網(wǎng)之外； 向遠(yuǎn)程客戶(hù)端交付系統(tǒng)消息。

OPC UA是以信息為中心的分層架構(gòu)，該架構(gòu)安全、不受平臺(tái)影響、可擴(kuò)展、支持互操作且面向?qū)ο?。OPC Foundation 將發(fā)布訂閱納入其基本信息模型的舉動(dòng)，進(jìn)一步體現(xiàn)了OPC UA作為領(lǐng)先的技術(shù)支持IIoT的證明。