一种用于传感器网络的新型OPC UA PubSub协议绑定（MQTT-SN）
论文标题：A Novel OPC UA PubSub Protocol Binding Using MQTT for Sensor Networks (MQTT-SN)
中文标题：一种用于传感器网络的新型OPC UA PubSub协议绑定（MQTT-SN）
作者信息：
- Michael Nast
- Hannes Raddatz
- Frank Golatowski
- Christian Haubelt 他们均来自德国罗斯托克大学应用微电子与计算机工程研究所。作者的电子邮件地址分别是：
- Michael Nast: michael.nast@uni-rostock.de
- Hannes Raddatz: hannes.raddatz@uni-rostock.de
论文出处：2024年IEEE第29届新兴技术和工厂自动化国际会议（ETFA）
摘要： 本文提出了将MQTT for Sensor Networks (MQTT-SN) 集成到OPC Unified Architecture (OPC UA)中，作为一种新颖的发布/订阅（PubSub）协议绑定，以增强工业通信栈。通过利用轻量级的MQTT-SN协议，该协议目前在架构中尚未被考虑，我们提高了OPC UA在高频、低延迟消息传递方面的能力，这对于工业物联网（IIoT）应用至关重要。我们讨论了相关工作，并详细描述了设计和实现。我们的混合方法结合了OPC UA丰富的数据建模和安全功能以及MQTT-SN的通信效率，为工业自动化系统中的实时数据管理提供了一种可扩展的解决方案。
第一节 引言 在工业自动化中，对高效、可扩展和可靠的通信协议的需求推动了多个标准和技术的发展。OPC Unified Architecture (OPC UA)因其数据建模能力和安全、平台独立的架构而被广泛认可，使其成为工业物联网（IIoT）的基石。然而，对大量同时连接、低延迟和高频数据交换的需求日益增加，这要求改进通信机制。这一需求也被OPC基金会所认识，随后导致了OPC UA标准修正案UA Part 14，即PubSub扩展的发布。在本文中，我们提出了一种基于MQTT-SN的新型OPC UA PubSub协议绑定，这是为无线传感器网络和资源受限环境特别设计的MQTT协议变体。其轻量级的特性和优化的消息格式使其成为扩展OPC UA PubSub模型的合适候选。通过将MQTT-SN与OPC UA集成，我们希望利用两种协议的优势，一方面是OPC UA全面的数据建模和安全功能，另一方面是MQTT-SN的消息传递和处理效率。我们展示了我们的OPC UA PubSub扩展的设计和实现，并概述了架构考虑因素以及为确保兼容性和无缝集成所采取的步骤。在未来的工作中，通过性能评估，我们的目标是证明我们的方法是与已经建立的OPC UA多播和MQTT通信相比可行的替代方案。我们的方法不仅提高了OPC UA在IIoT应用中的性能，而且还为现代工业通信挑战提供了一种多功能和可扩展的解决方案。通过这项工作，我们的目标是为工业通信协议的进步做出贡献，并为更高效、可靠的IIoT系统铺平道路。
第二节 现状和相关工作 OPC UA是一种工业级通信标准，能够实现机器对机器(M2M)通信的互操作性和安全性。它由一系列规范组成，描述了传输机制、数据和信息建模、安全性和安全性功能。OPC UA的一个关键卖点是能够创建全面的数据模型。这是基于OPC UA信息模型的基础，提供了对象、方法、引用、变量和数据类型等基本构建块。在这个基础上，可以定义更复杂的核心信息模型（如报警、状态机）、伴随信息模型（如机器人、CNC、起重机）和供应商特定的扩展。这些信息可以通过使用二进制（UA Binary）、XML或JSON编码的OPC UA服务器或客户端提供。如Figure 1所示，标准基本上区分了客户端/服务器和发布/订阅通信。默认选项，由基础规范描述，提供了使用TCP直接或HTTP在TCP之上的连接导向客户端/服务器通信的使用。它使OPC UA客户端能够使用请求/响应模式从OPC UA服务器检索数据。
第三节 MQTT-SN协议绑定 本文提出了一种基于MQTT-SN的OPC UA PubSub协议绑定。该绑定通过结合OPC UA强大的数据建模和安全性能力以及MQTT-SN轻量级、高效的消息传递能力，旨在满足工业物联网(IIoT)应用中对低延迟、高频率数据交换的需求。本节详细介绍了MQTT-SN协议绑定的系统架构、OPC UA发布者和订阅者的实现，以及如何通过MQTT-SN协议绑定在OPC UA发布者和订阅者之间交换数据。
第四节 实现 本文介绍了MQTT-SN协议绑定的实现细节。作者使用了open62541库，这是一个活跃维护的开源OPC UA堆栈实现，提供了包括OPC UA PubSub在内的丰富功能集。目前，仅实现了MQTT、UDP上的多播和直接以太网绑定。由于MQTT和MQTT-SN的相似性，作者可以基于现有的接口进行构建，这意味着不需要从头开始。为了实现MQTT-SN发布者和订阅者客户端，作者使用了MQTT-SN工具。OPC UA PubSub的核心功能在open62541库中实现。为了将MQTT-SN协议扩展到堆栈中，作者实现了PubSub Connection Plugin API，包括创建一个新的UA_PubSubChannel并实现其回调函数（open, close, send, yield, register, 和 unregister）以处理内部消息。为此，作者创建了一个新的MQTT-SN插件，其中包含一个MQTT-SN适配器，该适配器将OPC UA映射到MQTT-SN函数。
第五节 结论和展望 本文展示了一种使用MQTT-SN的新型OPC UA PubSub绑定及其实现。将MQTT-SN集成到OPC UA中，结合了OPC UA强大的数据建模和安全功能以及MQTT-SN轻量级、高效的消息传递功能，满足了工业物联网(IIoT)应用中对低延迟、高频率数据交换的需求。这种集成为实时数据管理提供了一种可扩展和高效的解决方案，使OPC UA能够更好地满足现代工业通信系统不断演变的需求。在未来的工作中，作者计划进行综合性能评估，并与其他协议进行比较，以证明所提出方法的相关性。此外，作者还对与Time-Sensitive Networking (TSN)结合使用的实时能力感兴趣。对于MQTT-SN来说，与OPC UA的集成可能对TSN配置特别有益，因为它可以基于现有的数据模型和标准。此外，探索MQTT-SN在OPC UA框架内特定的安全增强功能可能是有益的，以确保集成满足工业应用所需的高标准安全要求。总之，将MQTT-SN作为PubSub扩展集成到OPC UA中是工业通信协议向前迈出的重要一步，并为更高效、可靠和可扩展的IIoT系统铺平了道路。