通信協(xié)議構成工業(yè)物聯(lián)網（Industrial Internet of Things, IIoT）系統(tǒng)的核心,，可確保網絡連通,，進而執(zhí)行設備間的數(shù)據交換。OPC Unified Architecture（OPC UA）提供了令人信服的解決方案,，能夠滿足IIoT系統(tǒng)各垂直層的要求,。作為獨立平臺，OPC UA具有高度可擴展性,，適用于從最小型傳感器到主機再到云應用程序的各類集成化網絡,。OPC UA使用X.509證書，可在確保數(shù)據安全的同時提供多種用戶與應用程序身份驗證機制,。OPC UA獨立于在傳輸基于TCP的二進制和HTTP/HTTPS數(shù)據時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集成在其中,。OPC UA提供完全面向對象,，同時包含元數(shù)據和對象描述的地址空間。OPC UA符合IEC標準（IEC 62541）,，它提供工具與實驗室支持,，可進行測試和合規(guī)性驗證。

IIoT擁有眾多促成因素,，包括云計算,、大數(shù)據分析、嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器網絡和安全協(xié)議等多項技術,。在這些IIoT促成因素中,，通信協(xié)議是一項關鍵技術。通信協(xié)議構成IIoT系統(tǒng)的核心,，可確保網絡連通,，并架起了應用程序之間的連接“橋梁”。

盡管IIoT中的“物”各不相同,，但仍可作出幾個基本假定：安全性是一個核心需求,； 數(shù)據的存儲與處理均可在云端進行； 涉及多種設備,，從微控制器到高性能系統(tǒng),； 以無線方式連接； 路由信息需要通過無線和有線網絡,。

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

OPC UA提供了令人信服的解決方案,，能夠連接IIoT系統(tǒng)內各項應用程序,。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)議分離開來,，從而幫助用戶選擇與特定部署環(huán)境最契合的最佳通信協(xié)議。OPC UA的“發(fā)布訂閱”擴展功能,，可為無法很好兼容客戶端服務器通信模型的IIoT典型應用程序用例提供解決方案,。

OPC UA旨在為種類繁多的系統(tǒng)提供支持，無論是PLC還是企業(yè)服務器,，無論其尺寸,、性能、托管平臺和功能存在多少差異,，OPC UA均能滿足其需要,。OPC UA符合IEC 62541標準，因此已經過中立組織驗證,，確認其符合國際標準的要求,。

OPC UA的核心設計在于可擴展性。就OPC UA而言,，穩(wěn)妥的設計目標是避免將技術局限在基于COM的OPC所構建的圍墻之內,，同時確保OPC UA能夠兼容未來技術并擺脫日漸淘汰的技術。為此,，OPC UA以抽象方式定義了服務和相關概念,，并進一步定義了抽象規(guī)范和實施此規(guī)范所用技術間的“映射”。OPC UA技術映射分為三組：數(shù)據編碼,、安全協(xié)議和傳輸協(xié)議,。不同映射相結合，共同創(chuàng)建一個配置文件,?？蛻舳撕头掌鲬贸绦蚩芍С忠粋€或多個配置文件，但必須實施至少一個公共配置文件以進行通信,。

OPC UA地址空間模型將生產數(shù)據,、報警、事件和歷史數(shù)據統(tǒng)一到單一OPC UA服務器中,。OPC UA地址空間架構采用分層結構,，不僅包括實例，還包括類型,，且均能通過標準接口進行導航,。 

OPC對象模型描述了客戶端如何訪問服務器上的信息。該模型定義了一組標準化節(jié)點類型,，可用來表示地址空間內的對象,、對象屬性、方法,、事件以及對象間的關系,。建立這些基本概念后，OPC UA可對任何對象進行建模,。相關對象及其關系經過分組,，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)據訪問（DA）

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

報警和條件（AC）

此信息模型定義狀態(tài)變化觸發(fā)事件時的狀態(tài)處理方式,?？蛻舳丝蔀檫x定事件注冊，并定義篩選器來識別這些事件的特性,，希望將相關內容包含在待接收的事件通知當中,。

歷史訪問（HA）

此信息模型描述客戶端如何讀取和寫入歷史數(shù)據及歷史事件。歷史數(shù)據的實際位置為獨立的信息模型,，可以存儲在數(shù)據庫或其他存儲系統(tǒng)中,。

程序

程序代表批處理過程的監(jiān)測與控制等復雜任務。每個程序由一個狀態(tài)機表示,。狀態(tài)機本身使用OPC UA對象模型來建模,。

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責任。模型頂部為應用層,，負責通過會話內客戶端和服務器之間的設備來傳送工廠信息和實時數(shù)據,。會話提供用戶驗證和授權。OPC UA會話在安全通道（同時也是通信層之間的連接）之上運行,。安全通道可對會話內數(shù)據進行簽名和加密,，從而保障數(shù)據安全。安全通道也負責客戶端和服務器應用之間的相互驗證和授權,。底部的傳輸層負責傳送和接收受保護的數(shù)據,。為確保可用性,，已在傳輸層定義了錯誤恢復機制,。

制定OPC規(guī)范的目標在于實現(xiàn)不同供應商產品之間的互操作性。為確保產品切實符合規(guī)范,，必須對其進行一系列用于證明規(guī)范符合度的測試,。在產品開發(fā)期間和之后，供應商都能使用OPC UA符合性測試工具（CTT）來確定是否遵守通用規(guī)范,。供應商也可通過參加OPC Foundation主辦的互操作性研討會來評估互操作性就緒程度,。OPC Foundation還會維護獨立的認證測試實驗室，供應商可在此對其 OPC UA產品進行認證,。除了驗證是否符合規(guī)范,，實驗室認證過程還包括眾多故障和壓力場景，可檢驗一些參考客戶端和服務器的互操作性,。

IEC 62541中定義的 OPC UA包括前文所述的特性,。這些特性構成IIoT促成因素的堅實基礎，但是我們還需要一個數(shù)據交換模型作為關鍵促成因素,，該模型應高效,、性能出色、穩(wěn)定且可擴展,，能夠與一對多,、多對一或多對多配置配合使用。OPC Foundation的工作組正在著手對 OPC UA進行增補,，希望在OPC UA規(guī)范組合中增加一個發(fā)布訂閱模型,。到目前為止，Classic OPC和OPC UA都支持通過客戶端服務器模型交換數(shù)據,。圖中顯示了不同數(shù)據交換模型之間的關鍵區(qū)別,。

在本例中，單個OPC UA服務器將其地址空間暴露給n個傳統(tǒng)OPC UA客戶端以及n個訂閱者,。OPC UA客戶端1-n與OPC UA服務器之間的連接代表傳統(tǒng)的客戶端服務器模型,，其中每個OPC UA客戶端與OPC UA服務器建立一個單獨的請求響應會話,。在客戶端服務器模型中，由客戶端定義要從服務器接收哪些信息,。這意味著每個客戶端要負責與服務器建立安全會話,，配置一個或多個訂閱，并且配置其感興趣的OPC服務器地址空間中的項目,。單一服務器可以滿足數(shù)百個多客戶端信息請求，其中客戶端與服務器之間的每個請求響應連接皆為單獨維護,。如圖所示,，對相同信息的多個客戶端請求由來自UA服務器的單獨響應提供服務。

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

OPC UA服務器可以同時支持客戶端服務器模型和發(fā)布訂閱模型,。此外，添加發(fā)布訂閱模型不會對現(xiàn)有OPC UA規(guī)范組合造成破壞,。這證明了OPC符合打造“適合未來發(fā)展”規(guī)范的設計原則,。

OPC UA通過安全性和交付保障增強局域網上的UDP多播組。OPC UA服務器定期向已配置的多播組發(fā)布UDP數(shù)據報,。UA信息模型組件支持連接,、群組和消息編寫程序，并且專為使用UDP的高速對等通信而設計,。UDP并不提供交付,、排序或復制保護的保證，但UA信息模型在設計時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多、多對一或多對多配置,。在并入OPC UA時,，可以設想特定領域的使用情景，包括對等控制器/設備通信,；控制器/設備和 HMI 通信,； 向通過企業(yè)服務總線連接的高級應用客戶端交付過程消息，其中客戶端可能位于局域網之外,； 向遠程客戶端交付系統(tǒng)消息,。

OPC UA是以信息為中心的分層架構,，該架構安全、不受平臺影響,、可擴展,、支持互操作且面向對象。OPC Foundation 將發(fā)布訂閱納入其基本信息模型的舉動,，進一步體現(xiàn)了OPC UA作為領先的技術支持IIoT的證明,。