OPC报文详解

原创

杜衡老师

发布于 2024-03-27 14:29:57

4060

发布于 2024-03-27 14:29:57

OPC (OLE for Process Control) 是一种工业通讯协议的标准，用于实现不同制造商的设备和系统之间的数据交换。它主要用于工业自动化系统中。OPC标准有几个不同的规范，包括OPC DA (Data Access)、OPC UA (Unified Architecture)、OPC HDA (Historical Data Access) 等。

本文主要介绍 OPC UA over TCP、OPC UA Secure Conversation的报文格式。

1. OPC Classic (包括OPC DA, OPC HDA等)

OPC Classic是基于Microsoft的COM/DCOM（组件对象模型/分布式组件对象模型）技术，因此它并没有一个类似于TCP/IP的统一、标准化的“报文格式”。

在OPC Classic中，数据交换和通信是通过COM/DCOM机制实现的，这意味着数据是以COM对象的形式进行传输的，而不是通过某种特定的、固定格式的报文。

2.OPC UA (Unified Architecture)

OPC UA是一种更现代的协议，设计用来取代OPC Classic，提供更加安全、跨平台的数据交换机制。OPC UA定义了一套详细的服务和信息模型，使得它可以用于不同的传输层，比如TCP、HTTP等。

OPC UA通信模型中，客户端和服务器之间的交互是基于一系列的服务请求和响应。每个服务请求和响应都遵循OPC UA定义的编码规则，可以序列化为二进制流或者XML。

常见的OPC UA报文主要分为两类 OPC UA over TCP、OPC UA Secure Conversation

2.1 OPC UA over TCP报文结构

OPC UA over TCP报文包括消息头和消息体，主要结构如下：

用途	消息头	消息体
长度	8byte	不定
描述	控制和描述报文	实际要传输的数据，其内容和结构取决于具体的OPC UA服务请求或响应

2.1.1消息头

其中，消息头部分报文结构如下：

用途	消息类型	保留段	消息大小
长度	3byte	1byte	4byte
描述	用于标识报文类型	如果消息类型是OPC UA链接协议支持的值之一，则设置为“F”的ACSII码	整个消息头+消息体的长度，单位为字节

消息类型部分共分四类：

HEL：表示消息体为Hello报文
ACK：表示消息体为Acknowledge报文
ERR：表示消息体为Error报文
RHE：表示消息体为ReverseHello报文

2.1.2 消息体

2.1.2.1 Hello报文

当消息类型为HEL时，代表消息体部分为一个Hello报文，具体格式如下：

用途	长度	描述
协议版本号	4byte	这个字段指示发送方使用的OPC UA规范的版本。接收方可以用这个信息来判断是否能够理解接收到的报文。
接收缓冲区大小	4byte	指定了接收方准备为此连接分配的最大消息大小。它用于流控制和避免接收方被过大的消息所淹没。单位为字节，该值必须大于8192。
发送缓冲区大小	4byte	发送缓冲区大小。这个字段指定了发送方准备为此连接使用的最大消息大小。这也是流控制的一部分，确保双方都能处理交换的数据。单位为字节，该值必须大于8192。
最大消息大小	4byte	这个字段指定了双方允许的最大消息体的大小。它用于防止因处理过大的单个消息而导致的性能问题。0表示客户端不限制。
最大分块数量	4byte	这个字段指定了应答报文可以被分割成的最大块数。这有助于管理大量数据的传输，确保即使是大消息也可以在双方之间有效地传输。0表示客户端不限制。
终端URL	最大4096byte	客户端希望连接到的终端的URL。如果长度超过4096 或无法识别URL所标识的资源，服务器应返回Bad_TcpEndpointUrlInvalid错误消息并关闭连接。

Hello报文是OPC UA TCP协议握手过程的一个重要部分，通过它，客户端和服务器可以交换基本的通信参数，为后续的更复杂交互建立基础。

2.1.2.2Acknowledge报文

用途	长度	描述
协议版本号	4byte	服务端支持的OPC UA协议的版本
接收缓冲区大小	4byte	指定了接收方准备为此连接分配的最大消息大小。它用于流控制和避免接收方被过大的消息所淹没。单位为字节，该值必须大于8192。
发送缓冲区大小	4byte	发送缓冲区大小。这个字段指定了发送方准备为此连接使用的最大消息大小。这也是流控制的一部分，确保双方都能处理交换的数据。单位为字节，该值必须大于8192。
最大消息大小	4byte	这个字段指定了双方允许的最大消息体的大小。它用于防止因处理过大的单个消息而导致的性能问题。0表示客户端不限制。
最大分块数量	4byte	这个字段指定了应答报文可以被分割成的最大块数。这有助于管理大量数据的传输，确保即使是大消息也可以在双方之间有效地传输。0表示客户端不限制。

Acknowledge报文提供了客户端和服务器之间通信所需的基本参数，确保双方能够有效地交换后续的OPC UA消息。客户端在收到Acknowledge报文后，会根据提供的参数调整自己的通信设置，随后双方可以开始正式的数据交换。

2.1.2.3 Error报文

用途	长度	描述
错误码	4byte	错误的数字代码。
原因	最大4096byte	错误的详细描述。

错误码会随着版本更新而更新，这里提供一份当前版本（UA-1.05.03-2023-12-15）的错误码列表，具体可以参看官方github

错误名	错误码
Good	0x00000000
Uncertain	0x40000000
Bad	0x80000000
BadUnexpectedError	0x80010000
BadInternalError	0x80020000
BadOutOfMemory	0x80030000
BadResourceUnavailable	0x80040000
BadCommunicationError	0x80050000
BadEncodingError	0x80060000
BadDecodingError	0x80070000
BadEncodingLimitsExceeded	0x80080000
BadRequestTooLarge	0x80B80000
BadResponseTooLarge	0x80B90000
BadUnknownResponse	0x80090000
BadTimeout	0x800A0000
BadServiceUnsupported	0x800B0000
BadShutdown	0x800C0000
BadServerNotConnected	0x800D0000
BadServerHalted	0x800E0000
BadNothingToDo	0x800F0000
BadTooManyOperations	0x80100000
BadTooManyMonitoredItems	0x80DB0000
BadDataTypeIdUnknown	0x80110000
BadCertificateInvalid	0x80120000
BadSecurityChecksFailed	0x80130000
BadCertificatePolicyCheckFailed	0x81140000
BadCertificateTimeInvalid	0x80140000
BadCertificateIssuerTimeInvalid	0x80150000
BadCertificateHostNameInvalid	0x80160000
BadCertificateUriInvalid	0x80170000
BadCertificateUseNotAllowed	0x80180000
BadCertificateIssuerUseNotAllowed	0x80190000
BadCertificateUntrusted	0x801A0000
BadCertificateRevocationUnknown	0x801B0000
BadCertificateIssuerRevocationUnknown	0x801C0000
BadCertificateRevoked	0x801D0000
BadCertificateIssuerRevoked	0x801E0000
BadCertificateChainIncomplete	0x810D0000
BadUserAccessDenied	0x801F0000
BadIdentityTokenInvalid	0x80200000
BadIdentityTokenRejected	0x80210000
BadSecureChannelIdInvalid	0x80220000
BadInvalidTimestamp	0x80230000
BadNonceInvalid	0x80240000
BadSessionIdInvalid	0x80250000
BadSessionClosed	0x80260000
BadSessionNotActivated	0x80270000
BadSubscriptionIdInvalid	0x80280000
BadRequestHeaderInvalid	0x802A0000
BadTimestampsToReturnInvalid	0x802B0000
BadRequestCancelledByClient	0x802C0000
BadTooManyArguments	0x80E50000
BadLicenseExpired	0x810E0000
BadLicenseLimitsExceeded	0x810F0000
BadLicenseNotAvailable	0x81100000
BadServerTooBusy	0x80EE0000
GoodPasswordChangeRequired	0x00EF0000
GoodSubscriptionTransferred	0x002D0000
GoodCompletesAsynchronously	0x002E0000
GoodOverload	0x002F0000
GoodClamped	0x00300000
BadNoCommunication	0x80310000
BadWaitingForInitialData	0x80320000
BadNodeIdInvalid	0x80330000
BadNodeIdUnknown	0x80340000
BadAttributeIdInvalid	0x80350000
BadIndexRangeInvalid	0x80360000
BadIndexRangeNoData	0x80370000
BadIndexRangeDataMismatch	0x80EA0000
BadDataEncodingInvalid	0x80380000
BadDataEncodingUnsupported	0x80390000
BadNotReadable	0x803A0000
BadNotWritable	0x803B0000
BadOutOfRange	0x803C0000
BadNotSupported	0x803D0000
BadNotFound	0x803E0000
BadObjectDeleted	0x803F0000
BadNotImplemented	0x80400000
BadMonitoringModeInvalid	0x80410000
BadMonitoredItemIdInvalid	0x80420000
BadMonitoredItemFilterInvalid	0x80430000
BadMonitoredItemFilterUnsupported	0x80440000
BadFilterNotAllowed	0x80450000
BadStructureMissing	0x80460000
BadEventFilterInvalid	0x80470000
BadContentFilterInvalid	0x80480000
BadFilterOperatorInvalid	0x80C10000
BadFilterOperatorUnsupported	0x80C20000
BadFilterOperandCountMismatch	0x80C30000
BadFilterOperandInvalid	0x80490000
BadFilterElementInvalid	0x80C40000
BadFilterLiteralInvalid	0x80C50000
BadContinuationPointInvalid	0x804A0000
BadNoContinuationPoints	0x804B0000
BadReferenceTypeIdInvalid	0x804C0000
BadBrowseDirectionInvalid	0x804D0000
BadNodeNotInView	0x804E0000
BadNumericOverflow	0x81120000
BadLocaleNotSupported	0x80ED0000
BadNoValue	0x80F00000
BadServerUriInvalid	0x804F0000
BadServerNameMissing	0x80500000
BadDiscoveryUrlMissing	0x80510000
BadSempahoreFileMissing	0x80520000
BadRequestTypeInvalid	0x80530000
BadSecurityModeRejected	0x80540000
BadSecurityPolicyRejected	0x80550000
BadTooManySessions	0x80560000
BadUserSignatureInvalid	0x80570000
BadApplicationSignatureInvalid	0x80580000
BadNoValidCertificates	0x80590000
BadIdentityChangeNotSupported	0x80C60000
BadRequestCancelledByRequest	0x805A0000
BadParentNodeIdInvalid	0x805B0000
BadReferenceNotAllowed	0x805C0000
BadNodeIdRejected	0x805D0000
BadNodeIdExists	0x805E0000
BadNodeClassInvalid	0x805F0000
BadBrowseNameInvalid	0x80600000
BadBrowseNameDuplicated	0x80610000
BadNodeAttributesInvalid	0x80620000
BadTypeDefinitionInvalid	0x80630000
BadSourceNodeIdInvalid	0x80640000
BadTargetNodeIdInvalid	0x80650000
BadDuplicateReferenceNotAllowed	0x80660000
BadInvalidSelfReference	0x80670000
BadReferenceLocalOnly	0x80680000
BadNoDeleteRights	0x80690000
UncertainReferenceNotDeleted	0x40BC0000
BadServerIndexInvalid	0x806A0000
BadViewIdUnknown	0x806B0000
BadViewTimestampInvalid	0x80C90000
BadViewParameterMismatch	0x80CA0000
BadViewVersionInvalid	0x80CB0000
UncertainNotAllNodesAvailable	0x40C00000
GoodResultsMayBeIncomplete	0x00BA0000
BadNotTypeDefinition	0x80C80000
UncertainReferenceOutOfServer	0x406C0000
BadTooManyMatches	0x806D0000
BadQueryTooComplex	0x806E0000
BadNoMatch	0x806F0000
BadMaxAgeInvalid	0x80700000
BadSecurityModeInsufficient	0x80E60000
BadHistoryOperationInvalid	0x80710000
BadHistoryOperationUnsupported	0x80720000
BadInvalidTimestampArgument	0x80BD0000
BadWriteNotSupported	0x80730000
BadTypeMismatch	0x80740000
BadMethodInvalid	0x80750000
BadArgumentsMissing	0x80760000
BadNotExecutable	0x81110000
BadTooManySubscriptions	0x80770000
BadTooManyPublishRequests	0x80780000
BadNoSubscription	0x80790000
BadSequenceNumberUnknown	0x807A0000
GoodRetransmissionQueueNotSupported	0x00DF0000
BadMessageNotAvailable	0x807B0000
BadInsufficientClientProfile	0x807C0000
BadStateNotActive	0x80BF0000
BadAlreadyExists	0x81150000
BadTcpServerTooBusy	0x807D0000
BadTcpMessageTypeInvalid	0x807E0000
BadTcpSecureChannelUnknown	0x807F0000
BadTcpMessageTooLarge	0x80800000
BadTcpNotEnoughResources	0x80810000
BadTcpInternalError	0x80820000
BadTcpEndpointUrlInvalid	0x80830000
BadRequestInterrupted	0x80840000
BadRequestTimeout	0x80850000
BadSecureChannelClosed	0x80860000
BadSecureChannelTokenUnknown	0x80870000
BadSequenceNumberInvalid	0x80880000
BadProtocolVersionUnsupported	0x80BE0000
BadConfigurationError	0x80890000
BadNotConnected	0x808A0000
BadDeviceFailure	0x808B0000
BadSensorFailure	0x808C0000
BadOutOfService	0x808D0000
BadDeadbandFilterInvalid	0x808E0000
UncertainNoCommunicationLastUsableValue	0x408F0000
UncertainLastUsableValue	0x40900000
UncertainSubstituteValue	0x40910000
UncertainInitialValue	0x40920000
UncertainSensorNotAccurate	0x40930000
UncertainEngineeringUnitsExceeded	0x40940000
UncertainSubNormal	0x40950000
GoodLocalOverride	0x00960000
GoodSubNormal	0x00EB0000
BadRefreshInProgress	0x80970000
BadConditionAlreadyDisabled	0x80980000
BadConditionAlreadyEnabled	0x80CC0000
BadConditionDisabled	0x80990000
BadEventIdUnknown	0x809A0000
BadEventNotAcknowledgeable	0x80BB0000
BadDialogNotActive	0x80CD0000
BadDialogResponseInvalid	0x80CE0000
BadConditionBranchAlreadyAcked	0x80CF0000
BadConditionBranchAlreadyConfirmed	0x80D00000
BadConditionAlreadyShelved	0x80D10000
BadConditionNotShelved	0x80D20000
BadShelvingTimeOutOfRange	0x80D30000
BadNoData	0x809B0000
BadBoundNotFound	0x80D70000
BadBoundNotSupported	0x80D80000
BadDataLost	0x809D0000
BadDataUnavailable	0x809E0000
BadEntryExists	0x809F0000
BadNoEntryExists	0x80A00000
BadTimestampNotSupported	0x80A10000
GoodEntryInserted	0x00A20000
GoodEntryReplaced	0x00A30000
UncertainDataSubNormal	0x40A40000
GoodNoData	0x00A50000
GoodMoreData	0x00A60000
BadAggregateListMismatch	0x80D40000
BadAggregateNotSupported	0x80D50000
BadAggregateInvalidInputs	0x80D60000
BadAggregateConfigurationRejected	0x80DA0000
GoodDataIgnored	0x00D90000
BadRequestNotAllowed	0x80E40000
BadRequestNotComplete	0x81130000
BadTransactionPending	0x80E80000
BadTicketRequired	0x811F0000
BadTicketInvalid	0x81200000
BadLocked	0x80E90000
BadRequiresLock	0x80EC0000
GoodEdited	0x00DC0000
GoodPostActionFailed	0x00DD0000
UncertainDominantValueChanged	0x40DE0000
GoodDependentValueChanged	0x00E00000
BadDominantValueChanged	0x80E10000
UncertainDependentValueChanged	0x40E20000
BadDependentValueChanged	0x80E30000
GoodEdited_DependentValueChanged	0x01160000
GoodEdited_DominantValueChanged	0x01170000
GoodEdited_DominantValueChanged_DependentValueChanged	0x01180000
BadEdited_OutOfRange	0x81190000
BadInitialValue_OutOfRange	0x811A0000
BadOutOfRange_DominantValueChanged	0x811B0000
BadEdited_OutOfRange_DominantValueChanged	0x811C0000
BadOutOfRange_DominantValueChanged_DependentValueChanged	0x811D0000
BadEdited_OutOfRange_DominantValueChanged_DependentValueChanged	0x811E0000
GoodCommunicationEvent	0x00A70000
GoodShutdownEvent	0x00A80000
GoodCallAgain	0x00A90000
GoodNonCriticalTimeout	0x00AA0000
BadInvalidArgument	0x80AB0000
BadConnectionRejected	0x80AC0000
BadDisconnect	0x80AD0000
BadConnectionClosed	0x80AE0000
BadInvalidState	0x80AF0000
BadEndOfStream	0x80B00000
BadNoDataAvailable	0x80B10000
BadWaitingForResponse	0x80B20000
BadOperationAbandoned	0x80B30000
BadExpectedStreamToBlock	0x80B40000
BadWouldBlock	0x80B50000
BadSyntaxError	0x80B60000
BadMaxConnectionsReached	0x80B70000
UncertainTransducerInManual	0x42080000
UncertainSimulatedValue	0x42090000
UncertainSensorCalibration	0x420A0000
UncertainConfigurationError	0x420F0000
GoodCascadeInitializationAcknowledged	0x04010000
GoodCascadeInitializationRequest	0x04020000
GoodCascadeNotInvited	0x04030000
GoodCascadeNotSelected	0x04040000
GoodFaultStateActive	0x04070000
GoodInitiateFaultState	0x04080000
GoodCascade	0x04090000
BadDataSetIdInvalid	0x80E70000

2.1.2.4ReverseHello报文

用途	长度	描述
服务器URI	最大4096byte	发送消息的服务器的ApplicationUri。
终端URL	最大4096byte	客户端在建立SecureChannel时使用的端点的URL

对于基于连接的协议，如TCP，ReverseHello消息允许防火墙后面的服务器没有打开端口连接到客户端，并请求客户端使用服务器创建的套接字建立SecureChannel。

对于基于消息的协议，ReverseHello消息允许服务器向客户端通告它们的存在。在这种情况下，终端URL指定服务器的特定地址和访问它所需的任何令牌。

2.2 OPC UA Secure Conversation报文结构

OPC UA Secure Conversation（OPC UA 安全会话）的报文格式设计用于在客户端与服务器之间建立和维护一个加密和签名的通信通道。

用途	消息头	安全头	序列头	载荷	安全脚
长度	12byte	不定	8byte	不定	不定
描述	控制和描述报文	包含安全相关的信息。根据对称、不对称安全算法有不同长度	包括序列号和请求ID	这是实际的应用数据部分，根据安全头中定义的安全策略，它可能被加密和/或签名。	（可选）如果报文被签名，这部分包含签名。不是所有的安全策略都需要签名。

2.2.1 消息头

用途	消息类型	是否终结	消息大小	安全通道ID
长度	3byte	1byte	4byte	4byte
描述	用于标识报文类型	一个字节的ASCII代码，指示是否是消息中的最后一个块。	从消息头开始的长度，单位为字节	服务器分配的SecureChannel的唯一标识符

2.2.1.1 消息类型

消息类型主要有三种：

MSG 使用与通道有关的密钥加密的消息
OPN 打开安全通道消息
CLO 关闭安全通道消息

2.2.1.2 是否终结

一个字节的ASCII代码，指示MessageChunk是否是消息中的最后一个块。

定义为以下值：

C 中间块。
F 最后一个块。
A 最后一个块（当发生错误并且消息被中止时使用）。

此字段仅对消息类型是MSG有意义，对于其他消息类型，此字段始终为“F”。

2.2.1.3 消息大小

从消息头开始的长度，单位为字节

2.2.1.4 安全通道ID

服务器分配的SecureChannel的唯一标识符，如果服务器接收到无法识别的安全用户ID，则应返回相应的传输层错误。

2.2.2 安全头

定义了消息应用了哪些加密操作，有两个版本：非对称算法安全头和对称算法安全头。

2.2.2.1 非对称算法安全头

用途	长度	描述
安全策略URI长度	4byte	安全策略URI的长度。如果未指定URI，则此值可能为0或-1。其他负值无效。单位为字节。
安全策略URI	不定	用于保护消息的安全策略的URI。此字段编码为不带空结束符的UTF-8字符串。
发送方证书长度	4byte	发送方证书的长度。如果未指定证书，则此值可能为0或-1。其他负值无效。单位为字节。
发送方证书	不定	发送方证书
接收方证书指纹长度	4byte	接收方证书指纹的长度，如果已加密，则此字段的值为20。如果未加密，则值可以是0或-1。单位为字节。
接收方证书指纹	不定	接收方证书指纹。如果消息未加密，则此字段应为空。

2.2.2.2对称算法安全头

用途	长度	描述
令牌ID	4byte	用于保护消息的安全通道安全令牌的唯一标识符。如果服务器接收到它无法识别的令牌ID，它将返回相应的传输层错误。

2.2.3 序列头

用途	长度	描述
序列号	4byte	由发送方分配的单调递增序列号。
请求ID	4byte	由客户端分配给OPC UA请求消息的标识符。请求和相关响应的所有消息都使用相同的标识符。

2.2.4 载荷

这是报文的主体部分，包含了实际的操作请求或响应数据。载荷的大小是可变的，取决于实际传输的数据量。

2.2.5 安全脚

这部分是可选的，仅在使用某些特定的安全策略时才存在。它包含了额外的安全信息，比如填充数据和签名。安全脚大小同样是可变的，取决于使用的安全策略和数据。

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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