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High Performance OPC UA Server SDK

Als führender Anbieter von OPC-UA-Technologie haben wir die Schwächen und Engpässe heutiger OPC-UA-Implementierungen analysiert. Wir sind zu dem Ergebnis gekommen, dass nur ein komplettes Redesign die Probleme lösen kann, vor allem auch die Performance und die Skalierbarkeit erheblich verbessert sowie die Security erhöht. Dadurch wird OPC UA in kleinsten Geräten verwendbar und somit „IoT Ready“. Zusätzlich garantiert es beim Einsatz auf High-End-Servern bei der Bearbeitung von tausenden parallelen Verbindungen eine überragende Geschwindigkeit.

Mit einer von Grund auf neuen Softwarearchitektur und neuer Implementierung wurden alle diese Ziele erreicht. Selbstverständlich ist die neue Implementierung vollständig netzwerkkompatibel mit den originalen UA-Stacks der OPC Foundation.

Durchdachte Parallelität

Ein Problem vieler Netzwerkimplementierungen ist ein schlechtes multi-threaded Design. Zu viele Threads werden ohne ein klares Konzept erzeugt, was zu einer enormen Verschwendung von Ressourcen führt und auch schlechte Performance nach sich zieht, die u. a. durch Locking-Probleme, Threadwechsel und defragmentierte CPU-Caches verursacht wird. Einige Implementierungen erzeugen sogar einen Thread pro Verbindung, was im Hinblick auf Skalierbarkeit das schlechteste Design darstellt.
In unserem neuen SDK haben wir eine Gruppe von OPC-UA-Komponenten kreiert, die völlig unabhängig voneinander, parallel arbeiten können und somit auf Multi-Core-CPUs herausragende Geschwindigkeiten erzielen ohne sich gegenseitig auszubremsen. Zusätzlich erlaubt diese Architektur die einzelnen Komponenten aus einer single-threaded Hauptschleife anzutreiben und ist somit auch in kleinsten Mikrokontrollern lauffähig.

Sandboxing

Durch das Komponentendesign ist es möglich die einzelnen Komponenten, wie den Netzwerk-Encoder/Decoder ein einem eigenen Prozess laufen zu lassen. Dies kann nicht nur die Geschwindigkeit verbessern sondern ermöglicht auch die Verwendung von Sandbox-Mechanismen wie dem Linux Secure Computing Mode. Hierbei werden alle Betriebssystemaufrufe für diesen Prozess abgeschaltet. Im Falle eines Fehlers, der zu einem Exploit führen kann, wird der Prozess vom Betriebsystem terminiert, sobald ein Angreifer versucht Zugriff auf eine gesperrte Betriebssystemfunktion zu erhalten. Der Masterprozess erkennt dies und kann den terminierten Prozess anschließend wieder neu starten.

Asynchrone Netzwerk-API

Die neue OPC-UA-Implementierung basiert auf einer komplett asynchronen Netzwerk-API, die als Betriebsystem-Abstraktionsschicht dient. Durch unterschiedliche Netzwerk-Backends ist es möglich von modernen betriebssystemspezifischen APIs zu profitieren, wie POSIX AIO, Linux epoll, BSD kqueue oder Windows Completion Port APIs. Diese APIs leiden nicht unter den Skalierungsproblemen wie die eher altertümliche Berkeley Socket API und sind somit der Schlüssel zu hochperformanten Serveranwendungen. Durch die Verwendung dieser modernen APIs können die Anzahl der Kontextwechsel und der Kopieroperationen erheblich reduziert werden. Dies verbessert die Performance, vor allem wenn das System auf tausende Verbindungen skaliert.
Mit dieser neuen API wurde zusätzlich auch eine Lösung für die „Non-Blocking Domain Name Resolution“ geschaffen, die als eine der größten Designschwächen in heutigen Netzwerkimplementierungen angesehen wird.

Asynchrone Crypto- und PKI-APIs

Genauso wie Netzwerk APIs leiden heutige Crypto-Implementierungen an synchronen, blockierenden Implementierungen. Die neue OPC-UA-Implementierung ist komplett asynchron designt, um diese Probleme zu lösen. Zwei verschiedene Backends werden direkt unterstützt: OpenSSL und PolarSSL. Weitere Crypto-Backends werden in Zukunft folgen. Das Konzept erlaubt auch eine einfache Anbindung von hardwarebeschleunigter Kryptographie. Durch das asynchrone Design wird ein Encryption-Auftrag an den Hardwarechip delegiert und die OPC-UA-Kommunikation wird fortgesetzt. Später im Prozess wird das Ergebnis der Hardwareverschlüsselung gesendet, völlig asynchron selbst in einer single-threaded Umgebung.

Überragende Geschwindigkeit

Im Hinblick auf Geschwindigkeit und Durchsatz wurde als größter Engpass die Encoder/Decoder-Schicht des heutigen OPC UA C-Stacks identifiziert. Obwohl dieser immer noch deutlich schneller ist als die JAVA- und .NET/C#-basierten UA-Stacks der OPC Foundation, wird das volle Geschwindigkeitspotential nicht ausgeschöpft. Mit einem kompletten Redesign und einer Neuimplementierung konnte im Encoder-Prozess ein Performancegewinn um den Faktor 10 erreicht werden. Dies führt im Gesamtverhalten des OPC-UA-Protokolls, in Abhängigkeit vom Typ der transferierten Daten, zu einem Geschwindigkeitszuwachs um den Faktor 4 verglichen mit den heute schnellsten ANSI-C-basierten OPC-UA-Implementierungen.

Minimalster Speicherverbrauch

Während der gesamten Entwicklung wurde größter Wert auf minimalsten Speicherverbrauch gelegt, um die OPC-UA-Technologie auch in kleinsten embedded-Geräten verwenden zu können. Das modulare Konzept, konfigurierbare Memory-Pools und effiziente Implementierung machen das neue SDK perfekt für kleinste Geräte, Sensoren und auch für das Internet der Dinge. Auf einem ARM-basierten Demo-Board mit EUROS Echtzeitbetriebssystem konnte ein kompletter OPC-UA-Server in 300kByte umgesetzt werden, wobei hier das Betriebsystem bereits enthalten ist.
Mit einem neuen Konzept für einen tabellenbasierten OPC-UA-Adressraum können riesige Adressräume mit einem Bruchteil an Speicher integriert werden, der für heutige SDK benötigt werden würde. Das neue Konzept unterstützt auch die Ablage von "read-only" Informationen des UA-Adressraums im ROM, somit wird weiterer Speicher eingespart.

Softwarequalität

Um von Anfang an die höchstmöglichen Code-Qualität zu erreichen, wurde eine umfassende Testumgebung entwickelt. Mit diesem Toolset wird heute eine 98%ige Zeilenabdeckung und ein 95%ige Zweigabdeckung erreicht.

 

Details

Unterstützte OPC UA Services

  • Discovery Service Set: FindServers, GetEndpoints
  • Secure Channel Service Set: OpenSecureChannel, CloseSecureChannel
  • Session Service Set: CreateSession, ActivateSession, CloseSession
  • View Service Set: Browse, BrowseNext, TranslateBrowsePathToNodeIds, RegisterNodes, UnregisterNodes
  • Attribute Service Set: Read, Write
  • Method Service Set: Call
  • MonitoredItem Service Set: CreateMonitoredItems, ModifyMonitoredItems, DeleteMonitoredItems, SetMonitoringMode
  • Subscription Service Set: CreateSubscription, ModifySubscription, DeleteSubscription, SetPublishingMode, Publish, Republish

Produktvarianten

VersionenSource Code
LizenzvariantenProduct Development & Distribution License (single product), Evaluation License
ZielplattformennWindows, Linux
EntwicklungCMake plattformunabhängiges Buildsystem
(kann zur Generierung von Projekten für Visual Studio, Eclipse, Makefiles … genutzt werden)

Vollständige Lizenzbedingungen.

Unterstützte Features and Profile

  • Data Access
  • Methods

Detailliertere Informationen finden Sie auf dem nächsten Tab.

OPC UA Features and Profiles

General Nano Embedded Device Server Profile, Micro Embedded Device Server Profile
Data AccessDataAccess Server Facet, ComplexType Server Facet
Eventsgeplant für V1.2
MethodsMethod Server Facet
Alarms & Conditionsgeplant für V1.3
Historical Accessgeplant für V1.1

Lieferumfang

  • OPC UA Server SDK
  • Konverter von Informationsmodell-XML-Dateien in Binärdateien
  • Konverter von Informationsmodell-XML-Dateien in C-Code
  • IPC framework
  • Unit-Test-Framework
  • Unit-Test-Paket zur Unterstützung der Portierung des SDKs
  • CMake Build-Dateien
  • API-Doklumentation, Beispiele und Anleitungen
  • drei Jahre Maintenance und Support
  • eine UaModeler Runtime-Lizenz

Verwandte Produkte und Dienstleistungen

UaGateway

UaGateway wurde entwickelt, um „klassische“ OPC-Produkte in OPC-UA-Umgebungen zu integrieren. Die wichtigsten Features sind die Verbindung von UA-Clients mit COM/DCOM-Servern (Wrapper), der Zugriff mit COM/DCOM-Clients auf UA-Server (Proxy) und das Tunneln von COM/DCOM über eine sichere UA Verbindung. Weitergehende Informationen finden Sie auf der Produktseite zum UaGateway.

OPC-UA-Schulungen

Unified Automation veranstaltet Seminare, Workshops und Praxisschulungen um Ihnen den Einstieg in OPC UA und unsere SDK-Produkte zu erleichtern. Weitergehende Informationen finden Sie auf den folgenden Seiten:

Außerdem können Sie Vor-Ort-Schulungen buchen, die wir an die Anforderungen ihrer Firma anpassen.

OPC UA Buch

Das Buch „OPC Unified Architecture“ wurde von Wolfgang Mahnke, Stefan-Helmut Leitner und Matthias Damm geschrieben, einem der Referenten bei Schulungen von Unified Automation.

„Dieses Buch gibt Ihnen eine solide Grundlage um alles zu erfahren, was Sie jemals über die Entwicklung von OPC-UA-basierten Weltklasse-Produkten für die Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern wissen wollten“, sagt Tom Burke, Präsident der OPC Foundation.