[发明专利]一种基于改进KCP的OPC UA高效通信的实现方法

说明书

本发明公开了一种基于改进KCP的OPCUA高效通信的实现方法。本发明利用KCP与UDP相互结合替代了原传输层中的TCP传输协议。客户端和服务器的通讯架构如下：应用程序的请求首先被OPCUA通信栈转化为OPCUA消息，然后传至KCP通信栈，KCP通信栈将其分片封装为KCP数据包发送至广域网中。一旦KCP通信栈从广域网中接收到KCP数据包，KCP通信栈就将KCP数据包重组为OPCUA消息。最后通过OPCUA通信栈将OPCUA消息转化常见的容易处理的消息格式。KCP通信改进包括KCP协议数据段头部的设计、采用随机初始化的序列号保证通信安全性、记录时间戳防止序列号回绕、使用捎带确认报文减少数据的传输量。本发明对比常见的OPCUA通信可以保证更低的通信延迟，有较大的实际意义。

技术领域

本发明属于工业互联网领域，涉及一种OPC UA通信的方法，特别是在网络状况不良的情况下，该方法既可以减少通信效率的下降，也可以保证数据之间的准确传输。

背景技术

作为工业4.0标准的OPC UA协议解决了OPC标准的平台限制问题，该通信协议位于应用层之上，其传输层之间使用TCP协议进行连接。但是传统的TCP协议存在一些问题，例如，

(1)TCP的实现是往往镶嵌在系统内核中，倘若需要实现新功能，则需要修改系统内核，升级非常困难，也容易造成出现其他未知错误。

(2)TCP采用的延迟ACK响应策略可能会导致发送端等待时间超过超时重传时间。在这种情况下，接收端未收到ACK，发送端必须重新发送数据包，从而增加网络流量和降低网络效率。

(3)TCP的拥塞控制避免了网络拥塞并保证网络的可靠性和性能，但同时也可能会引起网络传输的延迟，由于需要等待确认消息后再发送数据，从而增加了传输时间。

此外，TCP的拥塞控制对高速网络的适应性差，它在数据传输的开始阶段就限制了发送速率，因此会影响了整个网络的吞吐量。若在传输层使用无连接的、不可靠的UDP连接则难以保证数据之间的确定性传输，这在对准确性要求极高的工业界是致命的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于改进KCP的OPC UA高效通信的实现方法。本发明通过替代OPC UA协议中的TCP协议，以应对传统TCP或UDP存在的缺陷。OPC UA服务器在传输层之间的通讯采用UDP通信协议的方案，并在UDP的基础上增加一个KCP协议，KCP以浪费部分带宽为代价，换取比TCP快30％-40％的传输速度，并将传输延迟大幅降低。采用该实现方法可以提高数据的传输效率，减少通信延迟，从而保证整个系统的正常运行和高效工作。这种协议对于工业生产和业务运营来说具有一定价值。

本发明提出了一套全新的基于改进KCP的OPC UA高效通信的实现方法，并根据OPCUA实际情况对部分KCP协议进行了重新设计，其技术问题方案包括如下步骤：

步骤(1)根据配置信息初始化OPC UA服务器，并尝试建立OPC UA客户端和KCP之间的连接。

OPC UA客户端将IP地址、端口号通过FNV哈希算法映射为三十二位无符号整数来充当会话id。

KCP发送创建连接请求的消息至OPC UA服务器监听端口。

OPC UA服务器的监听端口收到连接请求后，为该OPC UA客户端创建新的通信端口，并使用该通信端口返回确认消息。

步骤(2)OPC UA客户端在接收来自OPC UA客户端通信端口的确认消息后，即表明连接创建成功。OPC UA客户端发送一个Hello报文，该报文包含最大消息大小、数据块大小和数量的信息。

OPC UA服务器一旦接收Hello报文，就返回一个Acknowledge消息给OPC UA客户端。