嵌入式OPC UA與DPWS的比較與分析

王侃侃 ，張華良

（1.中國科學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

面向服務(wù)的體系架構(gòu)SOA（service oriented architecture）已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的各個層面，無論是在設(shè)備層面還是在系統(tǒng)層面都滲透著SOA技術(shù)[1-3]。在這種架構(gòu)中，應(yīng)用程序的不同功能被封裝為服務(wù)，服務(wù)的接口獨(dú)立于硬件平臺、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議。服務(wù)之間的相互通信，可以是簡單的數(shù)據(jù)傳遞，也可以按照一定的順序進(jìn)行服務(wù)組合[4]。SOA建立了靈活高效的框架模型，使得不同領(lǐng)域，不同供應(yīng)商的應(yīng)用之間能夠互相通信，而隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，嵌入式設(shè)備種類的不斷增多，實(shí)現(xiàn)設(shè)備部署和通信的難度也不斷提高，而嵌入式SOA技術(shù)則在很大程度上降低了這個難度，它使得工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備層是基于服務(wù)在通信，因而屏蔽了底層設(shè)備硬件細(xì)節(jié)的差異化。目前，在工業(yè)自動化系統(tǒng)中一般都有多個廠商的設(shè)備，如果要實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備之間能夠互相發(fā)現(xiàn)并且進(jìn)行通信交互，就要求設(shè)備之間具有互操作性，能夠?qū)ν馓峁┙y(tǒng)一的服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)化的接口，因此便出現(xiàn)了能夠支持嵌入式設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化通信的2項(xiàng)規(guī)范：DPWA（devices profile for web services）[5]和 OPC UA（OPC unified architecture）[6]。 在文獻(xiàn)[7]中就強(qiáng)調(diào)了DPWS和OPC UA的互操作性，給出了在監(jiān)測應(yīng)用中二者結(jié)合的互操作架構(gòu)；文獻(xiàn)[8]給出OPC UA和DPWS結(jié)合下的數(shù)據(jù)模型，提出了新的中間件服務(wù)器；但是目前的國內(nèi)外文獻(xiàn)中都沒有對二者進(jìn)行全面的比較分析。因此，本文的主要目的是分析OPC UA和DPWS在框架體系上的差異，并分析它們在內(nèi)部機(jī)制上的優(yōu)缺點(diǎn)，比較它們在嵌入式設(shè)備中的內(nèi)存占用情況，最后明確二者今后的協(xié)同工作方式。

1 OPC UA簡介

傳統(tǒng)OPC是在微軟Windows的OLE技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)交換方法，其目的就是通過一個統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)不同廠商的軟件產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)交換[9-10]。但是由于傳統(tǒng)的OPC技術(shù)逐漸顯示出其不夠靈活、安全機(jī)制不足、平臺局限、實(shí)現(xiàn)和使用過于復(fù)雜等諸多弱點(diǎn)，于是OPC基金會在2006年推出了OPC UA來取代傳統(tǒng)的OPC技術(shù)。OPC UA不再局限于Windows系統(tǒng)，而是跨平臺的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是以SOA、Web Services為核心的理想數(shù)據(jù)交換技術(shù)。

OPC UA解決了傳統(tǒng)OPC存在的安全問題，這是因?yàn)榘踩珯C(jī)制會影響整個系統(tǒng)的性能。OPC UA傳輸數(shù)據(jù)時是可以加密的，并對通信連接和數(shù)據(jù)本身都可以實(shí)現(xiàn)安全控制。新的安全模型保證了數(shù)據(jù)從原始設(shè)備到MES（manufacturing execution system），ERP（enterprise resource planning）系統(tǒng)，從本地到遠(yuǎn)程的各級自動化和信息化系統(tǒng)的可靠傳遞[9]。

如圖1所示，為了提高傳輸性能，OPC UA還使用了二進(jìn)制TCP傳輸機(jī)制，根據(jù)應(yīng)用的不同需求，傳輸協(xié)議和信息編碼可以以不同方式結(jié)合，UA XML和UA二進(jìn)制消息都可以以SOAP方式傳輸，UA二進(jìn)制消息還可以內(nèi)嵌到XML中進(jìn)行傳輸。

圖1 OPC UA協(xié)議棧Fig.1 OPC UA stacks

OPC UA的信息模型[11]統(tǒng)一了傳統(tǒng)OPC中不同的數(shù)據(jù)模型。它利用樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層呈現(xiàn)，而且這個結(jié)構(gòu)中的不同部分可以互相引用，這樣就形成了由節(jié)點(diǎn)組成的相互聯(lián)系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也就是地址空間。節(jié)點(diǎn)可以是不同類型，例如：可以是在地址空間中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述的對象，也可以是進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)描述的變量?？蛻舳丝梢酝ㄟ^通用服務(wù)集對信息模型進(jìn)行訪問、瀏覽和操作，服務(wù)集包括會話服務(wù)、讀、寫和訂閱數(shù)據(jù)的服務(wù)，瀏覽、查詢和更改地址空間內(nèi)容的服務(wù)和調(diào)用方法的服務(wù)。

2 DPWS簡介

DPWS規(guī)范了如何將Web Services技術(shù)應(yīng)用于嵌入式設(shè)備，它使設(shè)備能動態(tài)地加入網(wǎng)絡(luò)并獲得IP地址，自動宣布自己的名稱，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備及其提供的服務(wù)，DPWS獨(dú)立于任何操作系統(tǒng)、編程語言和傳輸協(xié)議，能夠無縫地接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)[12]。

如圖2所示DPWS的底層，即網(wǎng)絡(luò)層，采用IP協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，第2層網(wǎng)絡(luò)層采用UDP或TCP/IP協(xié)議，第3層則保證了嵌入式設(shè)備之間的端到端的通信能力，其中SOAP協(xié)議用于訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，WS-尋址則為SOAP消息的傳輸提供了統(tǒng)一的尋址方法，第4層加強(qiáng)了SOAP消息傳輸?shù)陌踩?，保證了端到端的安全，其中WS-安全將安全特性加入SOAP的消息頭，WS-安全會話則描述了如何認(rèn)證消息和服務(wù)以及建立認(rèn)證的上下文，第5層的XML和MTOM實(shí)現(xiàn)對設(shè)備和服務(wù)的統(tǒng)一描述，第6層包含的是DPWS一些內(nèi)置的服務(wù)，WS-發(fā)現(xiàn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備能在網(wǎng)絡(luò)上廣播自己以及發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備，它采用UDP協(xié)議和廣播地址來廣播和監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)消息，WS-元數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備能夠動態(tài)訪問其他設(shè)備的服務(wù)和元數(shù)據(jù)，WS-事件機(jī)制允許其他設(shè)備向主機(jī)訂閱異步消息。

圖2 DPWS協(xié)議棧Fig.2 DPWS stacks

3 OPC UA與DPWS的比較與分析

從本文第1，2部分的描述中可看出OPC UA和DPWS在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用中存在很多優(yōu)勢，而目前嵌入式SOA技術(shù)也主要集中在OPC UA和DPWS上，因此，對它們的架構(gòu)體系以及一些機(jī)制的比較分析的必要性是不言而喻的，因?yàn)檫@樣就能明確OPC UA和DPWS各自的優(yōu)勢和適用場景，在某些應(yīng)用場景下能否協(xié)同合作，以及未來的發(fā)展方向，最大程度地提高工業(yè)控制效率。

3.1 架構(gòu)體系

表1給出了OPC UA和DPWS在架構(gòu)體系上的特性對比，由此可以看出，它們在標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議、消息協(xié)議和編碼上是非常相似的，但是OPC UA本身又對其協(xié)議和編碼做了優(yōu)化，提出了其專有的優(yōu)化協(xié)議，這樣大大提高了其消息傳輸效率和傳輸安全性。

表1 OPC UA與DPWS特性對比Tab.1 Comparison for characteristic between OPC UA and DPWS

OPC UA雖然可以被嵌入到底層設(shè)備中，但它的框架協(xié)議主要針對系統(tǒng)級設(shè)備，依靠專有協(xié)議訪問底層設(shè)備，OPC UA主要采用鏈?zhǔn)紺/S模式，其原理是服務(wù)器向上層客戶端展現(xiàn)設(shè)備信息，在鏈?zhǔn)紺/S架構(gòu)中，處于上層的UA服務(wù)器可以是下層UA服務(wù)器的客戶端。而DPWS的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要針對底層設(shè)備，采用端到端的模式，盡管DPWS的C/S模式可對系統(tǒng)更高級的管理層提供訪問接口，但其規(guī)范中并沒有提供關(guān)于DPWS能夠集成到上層的支持。

3.2 內(nèi)部機(jī)制

OPC UA和DPWS對外都提供一些服務(wù)，而正是這些服務(wù)在機(jī)理上的區(qū)別才更能說明這兩大框架體系各自的設(shè)計(jì)目的，下面就從兩方面來說明這個區(qū)別。

3.2.1 發(fā)現(xiàn)服務(wù)

OPC UA的發(fā)現(xiàn)服務(wù)是一種靜態(tài)機(jī)制，也就是說要實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)服務(wù)需要發(fā)現(xiàn)服務(wù)器，并且客戶端要知道發(fā)現(xiàn)服務(wù)器的地址，其過程如下：其他服務(wù)器要先在發(fā)現(xiàn)服務(wù)器上注冊自己，當(dāng)客戶端得到發(fā)現(xiàn)服務(wù)器的地址時，就可訪問到所有處于網(wǎng)絡(luò)連接中的UA服務(wù)器列表。DPWS則是一種動態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，其過程如下：新加入的設(shè)備組播發(fā)送自己的描述和服務(wù)信息，任何感興趣的設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)的組播地址上監(jiān)聽服務(wù)的可用通知，如果存在匹配的設(shè)備或服務(wù)，則自動發(fā)送響應(yīng)消息[13]。

3.2.2 事件訂閱

OPC UA提供事件和數(shù)據(jù)的訂閱服務(wù)，如圖3所示，在一定取樣時間間隔內(nèi)，數(shù)據(jù)變化，數(shù)據(jù)處理和其他事件被壓入監(jiān)聽消息隊(duì)列，但是OPC UA服務(wù)器與客戶端之間關(guān)于數(shù)據(jù)變化和事件的通知消息不是異步傳輸?shù)摹?/p>

圖3 OPC UA訂閱服務(wù)Fig.3 Subscription for OPC UA

如圖4所示，當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽到數(shù)據(jù)變化或事件發(fā)生時，通知消息會通過訂閱服務(wù)被壓入消息隊(duì)列，而不會立刻被傳送給客戶端，客戶端必須去請求服務(wù)器上的棧推送服務(wù)，這樣相應(yīng)的通知消息才會被發(fā)送給客戶端。而DPWS的事件推送則是異步傳輸?shù)?。?dāng)有事件發(fā)生或數(shù)據(jù)變化時，服務(wù)器會立刻把通知消息發(fā)送給客戶端，不需等待客戶端請求。綜上所述，DPWS在事件推送機(jī)制上的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于OPC UA。

圖4 OPC UA通知消息的傳輸機(jī)制Fig.4 Transmission for OPC UA

3.3 占用內(nèi)存

由于低成本嵌入式設(shè)備的內(nèi)存空間非常有限，所以DPWS和OPC UA在嵌入式設(shè)備中所占用內(nèi)存空間大小就成為衡量它們性能和可移植性的重要指標(biāo)。一方面，因?yàn)镈PWS必須實(shí)現(xiàn)全部TCP/IP，而OPC UA只需實(shí)現(xiàn)部分TCP/IP，另一方面，雖然只實(shí)現(xiàn)基本服務(wù)的OPC UA所占內(nèi)存資源可縮小到10kB[2]，但需要重新編寫協(xié)議棧，從而導(dǎo)致開發(fā)周期較長。所以，目前最優(yōu)的方案是使二者能夠協(xié)同工作，如圖5所示。

圖5 OPC UA與DPWS協(xié)同工作Fig.5 Collaborative working

由于OPC UA的靜態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制以及在訂閱事件中的非異步性可知，DPWS更適合底層設(shè)備，所以如圖5所示將DPWS服務(wù)器嵌入到設(shè)備中，這樣既實(shí)現(xiàn)了嵌入式設(shè)備之間的自主發(fā)現(xiàn)功能，又使事件變化通知能及時地發(fā)送給服務(wù)器。在上位機(jī)中通過DPWS接口得到設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并在OPC UA地址空間中添加設(shè)備的數(shù)據(jù)對象，將DPWS設(shè)備的元數(shù)據(jù)信息存儲在UA地址空間中，這樣就可以在信息模型中標(biāo)識現(xiàn)場設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)，為了能給OPC UA客戶端提供設(shè)備更多的信息，DPWS會為每個設(shè)備建立單獨(dú)的服務(wù)，它通過分析每個設(shè)備的WSDL來得到設(shè)備服務(wù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息。

4 結(jié)語

綜上所述，精簡的OPC UA適合運(yùn)行在低成本，內(nèi)存空間小的嵌入式設(shè)備中，完備的OPC UA適合運(yùn)行在系統(tǒng)級設(shè)備中，因它能對外提供非常豐富的服務(wù)，所以文章最后提出了OPC UA和DPWS今后的協(xié)同工作方式，這種方式不僅使底層設(shè)備之間能夠自主發(fā)現(xiàn)，避免了OPC UA消息傳遞中的延遲，并且通過OPC UA地址空間可以明確設(shè)備類型、屬性、變量以及現(xiàn)場設(shè)備之間的層次結(jié)構(gòu)，這樣可最大程度地提高工業(yè)控制精度和效率。

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