CN108199897B - 一种支持缓存管理的opc ua多服务器聚合方法 - Google Patents

一种支持缓存管理的opc ua多服务器聚合方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法，属于工业网络技术领域。针对采用OPC UA协议的工控网络，在底层设备与上层系统之间的“中间层”设计实现一种能整合现场层原始服务器节点信息的多服务器聚合方法。该方法由通信接口处理、聚合数据处理、管理配置、安全配置等多部分组成，能将底层设备所传输的信息进行集中管理，并通过接口形式向上为OPC UA客户端提供数据信息的无缝转发，从而在一定程度上减少客户端与底层服务器的连接数量，便于网络部署和维护。同时，本发明还提出了一种针对数据汇集的缓存管理方法，通过有效的服务器缓存机制和相应算法，减少了上层客户端与底层服务器的实际通信频率，提高了通信效率，降低了通信开销。

Description

一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法
技术领域
本发明属于工业网络技术领域，涉及 一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法。
背景技术
随着自动化技术和信息技术的快速发展，工业自动化控制系统也获得了长足的发展。现在大多数分布式系统采用客户端/服务器结构，由于没有设备接口的通用标准，设备厂商按照自己的标准接口开发应用程序，从系统的开放性角度看有很多局限性。另外，工业现场智能设备的应用，如何将工厂底层设备信息采集到过程控制管理层到经营决策层，完成各个层次间现场信息的交互是工业控制现场的自动化的基础。
OPC技术的出现解决了一部分问题，但是由于OPC技术存在技术上的局限性不能满足逐渐发展的工业现场控制要求，OPC基金会后续提出OPC UA技术，作为新一代的信息交互规范。
但是在现在的工业自动化系统中，由于用于底层的现场设备服务器类型和数量较多，如果不能适当地进行聚合，则与上层的客户端之间消息的读写的过程，在结构上连接和交互的复杂性就比较高。而且底层工业设备与上层MES/ERP管理系统的通信频率一般比较高，如果采用单客户端和单服务器的形式，势必会造成通信效率的降低和开销的增大。
为了提高工业控制系统中通信的效率和满足可能日益增长的工业需求，基于OPCUA协议，本发明提出一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法，增加了缓存处理方法，一定程度上减少客户端与底层服务器的连接数量，便于维护，提高通信效率，降低通信开销。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法，实现将底层服务器数据的汇集，并实现对上层客户端的无缝转发，同时针对能提高传输效率的缓存机制做了部分优化。该方法一定程度上能够解决现场设备与上层客户端连接数量过多和频繁通信造成的通信效率的问题，有效降低连接复杂度，同时对数据有监测和转发的作用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法，O PC UA多服务器聚合包括通信接口管理、聚合数据处理、管理配置和安全配置；
通信接口管理为对上负责与上层OPC UA客户端连接的建立，对下负责与底层服务器连接的建立；
聚合数据处理为收集从底层服务器读取的信息，并统一对上层客户端提供接口服务；
管理配置为配置需要连接的底层服务器；
安全配置为负责OPC UA信息传输的安全性保障；
该方法包括以下步骤：
S1：上层客户端与多服务器聚合平台连接的建立；
S2：多服务器聚合平台对请求信息的处理；
S3：多服务器聚合平台返回客户端请求响应。
进一步，在步骤S1中，客户端与服务器通过接口提供服务，客户端通过OPC UA定义的查找服务集查找可利用的OPC UA服务器，获取服务器端点信息，并打开安全通道，创建并活跃会话，并浏览服务器地址空间后正常的进行信息交互。
进一步，所述管理配置具体为：
1)管理配置模块在本地的XML配置文件中没有对应的服务器URL信息，则多服务器聚合软件不主动聚合底层服务器而是等待上层客户端的请求；
2)管理配置模块在本地的XML配置文件中有对应的服务器URL信息，则当多服务器聚合软件启动时主动优先聚合本地配置中出现的服务器数据；
在管理配置模块中，配置人员可手动配置需要聚合的服务器的URL地址。
进一步，所述安全配置为定义OPC UA通用的三层安全结构：
1)套接字连接负责发送和接收的数据；
2)通过应用数字签名维护交互信息的完整性，在会话中使用身份验证和授权的机制；
3)定义生存期保持的间隔，服务器会周期性地发出生存期保持的消息，客户端及时地检测到服务器通信的状态。
进一步，所述聚合数据处理需要对多服务器聚合部分的信息模型进行扩展，信息模型的部分扩展类型表示为：
1)OPC UA服务器类型：表示OPC UA服务器；
2)被聚合服务器类型：继承1)中的OPC UA服务器类型，指向服务器类型对象的引用；
3)可用服务器配置类型：包含可以被聚合的OPC UA服务器的引用；
4)被聚合服务器配置类型：包含对被聚合服务器的引用，并且提供OPC UA的方法获取 OPC UA服务器对象的节点ID。
进一步，在步骤S2中，客户端对多个底层服务器的连接是相互独立的，实施上类比于定义在多服务器聚合平台的多个OPC UA客户端分别连接多个OPC UA服务器。
进一步，在步骤S2中，每个服务器都有自己对应的地址空间，聚合平台每次连接后都浏览对应服务器的地址空间，通过自定义的映射规则将多个地址空间中的节点数据映射到聚合软件中的统一的地址空间中，以供上层客户端建立通信连接和浏览以及读写数据的请求；
在自定义的映射规则中，将聚合的映射模型分解为以下模块：
1)聚合节点管理器的配置：负责聚合服务器的地址空间的节点的管理，将上层客户端的请求消息更新和转发到对应的底层服务器中，也将读取到的底层服务器的通信消息更新回聚合服务器的地址空间中，同时聚合节点管理器负责对每个需要的底层服务器创建对应的客户端完成浏览服务器相关功能；
2)节点工厂管理的配置：节点信息需要映射，需要真正的代理来完成，利用节点工厂的代理完成代理节点的创建，节点工厂只负责创建节点，具体的映射信息和配置由 聚合节点管理器来完成；
3)类型映射规则：底层不同服务器中有许多语义相同的类型，这些类型有不同的节点ID 或者浏览名，在地址空间中唯一确定相关节点的标识；
4)类型管理器：节点管理器中包含类型管理器，负责匹配类型映射规则将底层服务器的类型节点进行合并处理。
进一步，在步骤S3中，针对数据的存储优化，在数据响应前引入缓存管理；
聚合平台第一次接收上层客户端发送的读数据请求后，在向底层服务器设备转发读请求时，在请求参数的头部中增加服务参数maxAge来向服务器指定读取值的最大老化时间；客户端下次请求服务器数据时，通过以下步骤完成：
S11：客户端的数据请求时间点在maxAge规定时间点之内，直接返回保存的缓存数据；
S12：客户端的数据请求时间点在maxAge规定时间点之后，聚合平台再次读取底层服务器数据；
在步骤S2中，底层服务器会直接读取数据源最新的数据并返回和更新缓存；
当上层客户端需要读取多个数据时，重复步骤S11-S12所述的步骤，直接返回缓存的没过期数据，过期数据重新从底层服务器数据源重新获取并返回。
进一步，在所述方法中，缓存同时会带来旧数据的丢弃处理问题，需要制定丢弃处理策略，采用的方式包括：
1)先进先出：判断被存储时间，离现在最远的优先淘汰；
2)最近最少使用：判断最近被使用的时间，目前最远的优先淘汰；
3)最不经常使用：一段时间内，数据被使用次数最少的优先淘汰。
进一步，在所述三种丢弃处理策略中，结合各自优势和缺点，在工业技术领域对通信频率较高的情况下，考虑方式3)，将使用次数较少的数据淘汰适当减少数据的冗余。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明针对工业自动化系统中，将底层服务器设备进行适当地在中间层聚合，一定程度上解决了由于底层的现场设备服务器类型和数量较多，与上层的客户端之间通信过程中，在结构上连接和交互的复杂性比较高的问题。
(2)本发明同时增加缓存管理模块，在保证客户端与服务器正常通信的情况下，通过引入数据缓存策略，适当增强通信效率和降低频繁与底层服务器通信带来的不必要的通信开销。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述多服务聚合方法平台与上层客户端和现场设备通信结构图；
图2为本发明所述OPC UA客户端与服务器连接建立流程图；
图3为本发明所述聚合整体结构图；
图4为本发明所述部分信息模型扩展图；
图5为本发明所述映射部分配置示意图；
图6为本发明所述多服务器聚合方法缓存结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为多服务器聚合方法平台与上层客户端和现场设备通信结构图。在OPC UA多服务器聚合方法中包括了通信接口处理、聚合数据处理、管理配置、安全配置几大核心功能模块组成，其中：
通信接口处理功能模块对上负责与上层OPC UA客户端连接的建立，对下主要负责与底层服务器连接的建立；
聚合数据处理功能模块收集从底层服务器读取的信息，并统一对上层客户端提供接口服务；
管理配置功能模块可以配置需要连接的底层服务器；
安全配置功能模块负责OPC UA信息传输的安全性保障。
图2所示为OPC UA客户端与服务器连接建立流程图。客户端与服务器通过接口提供服务，客户端通过OPC UA定义的查找服务集查找可利用的OPC UA服务器，获取服务器端点信息，并打开安全通道，创建并活跃会话，并浏览服务器地址空间后便可以正常的进行信息交互。
图3所示为聚合整体结构图。聚合平台对下相当于OPC UA客户端，对底层OPC UA服务器可以直接建立连接并进行数据通信，聚合数据并统一地址空间，对上可以提供统一的标准OPC UA通信接口供上层客户端连接访问。
图4所示为多服务器聚合方法部分信息模型扩展图。由于多服务器聚合方法对服务器数据进行聚合，需要对多服务器聚合方法的信息模型进行适当地扩展，信息模型的部分扩展类型可以表示如下：
1)OPC UA服务器类型：表示OPC UA服务器；
2)被聚合服务器类型：继承1)中OPC UA服务器，指向服务器类型对象的引用；
3)可用服务器配置类型：包含了可以被聚合的OPC UA服务器的引用；
4)被聚合服务器配置类型：包含对被聚合服务器的引用，并且提供OPC UA的方法获取 OPC UA服务器对象的节点ID。
图5所示为映射部分配置示意图。为了实现数据的双向通信，主要定义了关于将多个客户端的地址空间统一映射为聚合平台的地址空间的配置规则与实现方法。在自定义的映射规则中，可将聚合的映射模型分解为以下模块：
1)聚合节点管理器的配置：负责聚合服务器的地址空间的节点的管理，可以将上层客户端的请求消息更新和转发到对应的底层服务器中，也可以将读取到的底层服务器的通信消息更新回聚合服务器的地址空间中，同时聚合节点管理器负责对每个需要的底层服务器创建对应的客户端完成浏览服务器等相关功能；
2)节点工厂管理的配置：由于节点信息需要映射，则需要真正的代理来完成，可以利用节点工厂的代理完成代理节点的创建，节点工厂只负责创建节点，具体的映射信息和配置由 聚合节点管理器来完成；
3)类型映射规则：底层不同服务器中有许多语义相同的类型，因为这些类型可能有不同的节点ID或者浏览名，因为这些信息是在地址空间中唯一确定相关节点的标识；
4)类型管理器：节点管理器中包含了类型管理器，负责匹配类型映射规则将底层服务器的类型节点进行合并处理。
图6所示为多服务器聚合方法缓存结构示意图。由于多服务器聚合支持缓存管理，可以考虑在聚合方法中引入缓存管理。聚合平台第一次接收上层客户端发送的读数据请求后，在向底层服务器设备转发读请求时，可以在请求参数的头部中增加服务参数maxAge来向服务器指定读取值的最大老化时间。客户端下次请求数据时，通过以下步骤完成：
S1：客户端的数据请求时间点在maxAge规定时间点之内，直接返回保存的缓存数据；
S2：客户端的数据请求时间点在maxAge规定时间点之后，聚合平台再次读取底层服务器最新数据。
当上层客户端需要读取多个数据时，重复S 1和S 2所述的步骤，直接返回缓存的没过期数据，过期数据重新从底层服务器数据源重新获取并返回。
缓存同时会带来旧数据的丢弃处理问题，为了提高通信效率和减少不必要的冗余，需要制定丢弃处理策略，本方法可采用的处理方式有三种：
1)先进先出：判断被存储时间，离现在最远的优先淘汰；
2)最近最少使用：判断最近被使用的时间，目前最远的优先淘汰；
3)最不经常使用：一段时间内，数据被使用次数最少的优先淘汰。
在三种缓存丢弃策略中，每种都有自身的优势和缺点，在工业技术领域对数据通信频率较高的情况下，考虑第三种方式，将使用次数较少的数据淘汰适当减少数据的冗余。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种支持缓存管理的开放平台通信统一架构OPC UA多服务器聚合方法，其特征在于：OPC UA多服务器聚合包括通信接口管理、聚合数据处理、管理配置和安全配置；
通信接口管理为对上负责与上层OPC UA客户端连接的建立，对下负责与底层服务器连接的建立；
聚合数据处理为收集从底层服务器读取的信息，并统一对上层客户端提供接口服务；
管理配置为配置需要连接的底层服务器；
安全配置为负责OPC UA信息传输的安全性保障；
该方法包括以下步骤：
S1：上层客户端与多服务器聚合平台连接的建立；
S2：多服务器聚合平台对请求信息的处理；
S3：多服务器聚合平台返回客户端请求响应；
在步骤S1中，客户端与服务器通过接口提供服务，客户端通过OPC UA定义的查找服务集查找可利用的OPC UA服务器，获取服务器端点信息，并打开安全通道，创建并活跃会话，并浏览服务器地址空间后正常的进行信息交互；
所述管理配置具体为：
1)管理配置模块在本地的XML配置文件中没有对应的服务器URL信息，则多服务器聚合软件不主动聚合底层服务器而是等待上层客户端的请求；
2)管理配置模块在本地的XML配置文件中有对应的服务器URL信息，则当多服务器聚合软件启动时主动优先聚合本地配置中出现的服务器数据；
在管理配置模块中，配置人员可手动配置需要聚合的服务器的URL地址；
所述安全配置为定义OPC UA通用的三层安全结构：
1)套接字连接负责发送和接收的数据；
2)通过应用数字签名维护交互信息的完整性，在会话中使用身份验证和授权的机制；
3)定义生存期保持的间隔，服务器会周期性地发出生存期保持的消息，客户端及时地检测到服务器通信的状态；
所述聚合数据处理需要对多服务器聚合部分的信息模型进行扩展，信息模型的部分扩展类型表示为：
1)OPC UA服务器类型：表示OPC UA服务器；
2)被聚合服务器类型：继承1)中的OPC UA服务器类型，指向服务器类型对象的引用；
3)可用服务器配置类型：包含可以被聚合的OPC UA服务器的引用；
4)被聚合服务器配置类型：包含对被聚合服务器的引用，并且提供OPC UA的方法获取OPC UA服务器对象的节点ID；
在步骤S2中，每个服务器都有自己对应的地址空间，聚合平台每次连接后都浏览对应服务器的地址空间，通过自定义的映射规则将多个地址空间中的节点数据映射到聚合软件中的统一的地址空间中，以供上层客户端建立通信连接和浏览以及读写数据的请求；
在自定义的映射规则中，将聚合的映射模型分解为以下模块：
1)聚合节点管理器的配置：负责聚合服务器的地址空间的节点的管理，将上层客户端的请求消息更新和转发到对应的底层服务器中，也将读取到的底层服务器的通信消息更新回聚合服务器的地址空间中，同时聚合节点管理器负责对每个需要的底层服务器创建对应的客户端完成浏览服务器相关功能；
2)节点工厂管理的配置：节点信息需要映射，需要真正的代理来完成，利用节点工厂的代理完成代理节点的创建，节点工厂只负责创建节点，具体的映射信息和配置由聚合节点管理器来完成；
3)类型映射规则：底层不同服务器中有许多语义相同的类型，这些类型有不同的节点ID或者浏览名，在地址空间中唯一确定相关节点的标识；
4)类型管理器：节点管理器中包含类型管理器，负责匹配类型映射规则将底层服务器的类型节点进行合并处理；
在步骤S3中，针对数据的存储优化，在数据响应前引入缓存管理；
聚合平台第一次接收上层客户端发送的读数据请求后，在向底层服务器设备转发读请求时，在请求参数的头部中增加服务参数maxAge来向服务器指定读取值的最大老化时间；客户端下次请求服务器数据时，通过以下步骤完成：
S11：客户端的数据请求时间点在maxAge规定时间点之内，直接返回保存的缓存数据；
S12：客户端的数据请求时间点在maxAge规定时间点之后，聚合平台再次读取底层服务器数据；
在步骤S2中，底层服务器会直接读取数据源最新的数据并返回和更新缓存；
当上层客户端需要读取多个数据时，重复步骤S11-S12所述的步骤，直接返回缓存的没过期数据，过期数据重新从底层服务器数据源重新获取并返回；
在所述方法中，缓存同时会带来旧数据的丢弃处理问题，需要制定丢弃处理策略，采用的方式包括：
1)先进先出：判断被存储时间，离现在最远的优先淘汰；
2)最近最少使用：判断最近被使用的时间，目前最远的优先淘汰；
3)最不经常使用：一段时间内，数据被使用次数最少的优先淘汰。
2.根据权利要求1所述的一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法，其特征在于：在步骤S2中，客户端对多个底层服务器的连接是相互独立的，实施上类比于定义在多服务器聚合平台的多个OPC UA客户端分别连接多个OPC UA服务器。
3.根据权利要求1所述的一种支持缓存管理的OPC UA多服务器聚合方法，其特征在于：在所述三种丢弃处理策略中，结合各自优势和缺点，在工业技术领域对通信频率较高的情况下，考虑方式3)，将使用次数较少的数据淘汰适当减少数据的冗余。
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