C#实现OPC UA客户端与服务端通信实战

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_32242475/article/details/151339448

简介：OPC UA是一种跨平台、安全的数据通信标准，广泛应用于工业自动化与物联网领域。本文围绕使用C#语言实现OPC UA客户端访问与服务端测试展开，内容涵盖客户端连接配置、数据读写、订阅机制，以及服务端节点定义与服务接口实现。通过OPCFoundation.NETStandard.Opc.Ua库和相关示例代码，帮助开发者快速构建OPC UA应用程序，并结合西门子S7-1500 PLC进行实际通信测试，提升工业自动化系统的兼容性与通信效率。

1. OPC UA通信协议概述
OPC UA（Unified Architecture）是一种面向服务的通信协议，专为工业自动化系统设计，支持跨平台、安全、可靠的数据交换。其核心优势在于统一了原有OPC Classic规范，消除了COM/DCOM的依赖，适用于现代网络环境。

1.1 OPC UA的基本概念
OPC UA不仅是一种通信协议，更是一个完整的数据模型和信息服务框架。它通过标准接口实现不同厂商设备之间的互操作性，支持复杂的数据结构、方法调用、报警与事件机制等高级功能。

跨平台性：基于TCP/IP协议栈，支持多种操作系统（如Windows、Linux、RTOS等）。
安全性：内置加密、身份认证、访问控制等安全机制。
可扩展性：支持自定义数据类型和服务接口，便于系统集成与扩展。
1.2 OPC UA的架构组成
OPC UA采用分层架构设计，主要包括以下几个层级：

层级名称作用
1 应用层提供客户端与服务端的应用接口（如读写、订阅等）
2 服务层定义操作语义（如读、写、订阅、方法调用等）
3 会话层管理会话建立、身份验证与安全策略
4 传输层支持多种传输协议（如SOAP、HTTPS、二进制协议）
5 网络层基于TCP/IP进行数据传输
此外，OPC UA还定义了地址空间模型，将设备、变量、方法等资源抽象为节点（Node），并通过节点ID进行访问。

1.3 OPC UA的通信模型
OPC UA通信模型基于客户端-服务端架构，支持以下核心通信方式：

请求-响应模式：客户端发送请求，服务端返回结果（如读写操作）。
发布-订阅模式：支持实时数据变化通知（用于高效的数据更新）。
方法调用：客户端可调用服务端定义的方法。
这种灵活的通信机制使得OPC UA不仅适用于传统的PLC、SCADA系统，也能很好地集成到工业物联网（IIoT）平台中。

1.4 OPC UA在工业控制系统中的应用价值
随着工业4.0和智能制造的发展，OPC UA因其开放性、标准化和高安全性，已成为工业通信的首选协议。它不仅用于设备间的数据交换，还广泛应用于：

工厂级数据集成
设备状态监测与预测性维护
云边协同架构中的数据上传
跨厂商系统互联
掌握OPC UA的通信机制，是构建现代化工业自动化系统的基石。接下来的章节将深入讲解如何使用C#语言实现OPC UA客户端与服务端的开发。

2. C#实现OPC UA客户端连接配置
在工业自动化系统中，OPC UA客户端是与服务端进行数据交互的核心组件。使用C#语言实现OPC UA客户端连接配置，不仅能充分发挥.NET平台的开发优势，还能借助OPC Foundation提供的标准SDK，快速构建高效、稳定的通信程序。本章将深入探讨OPC UA客户端连接的实现机制，涵盖从通信模型、SDK集成、连接建立到异常处理的完整流程。

2.1 OPC UA客户端连接原理
OPC UA客户端与服务端之间的连接建立是基于面向服务的架构（SOA）设计的，其通信模型以会话（Session）为核心，通过端点（Endpoint）和安全策略保障通信的安全性和可靠性。理解这些基本原理是实现客户端连接的前提。

2.1.1 客户端通信模型与会话机制
OPC UA客户端与服务端之间的通信采用客户端-服务端模型，主要通过以下四个步骤完成：

发现服务端：客户端通过查找服务端的端点信息（如IP地址和端口）建立初始连接。
建立安全通道：在传输层之上建立加密通信通道，确保数据传输的安全性。
创建会话：客户端向服务端发起会话请求，服务端验证身份后创建会话对象。
数据交互：在会话生命周期内，客户端可以调用服务端提供的各种服务（如读写、订阅等）。
会话机制确保了通信的稳定性和身份验证的持续性。每个会话都有一个唯一的Session ID，并支持会话的续订和关闭操作。

以下为会话建立的流程图：

graph TD
A[客户端启动] --> B[发现服务端端点]
B --> C[建立安全通道]
C --> D[发送会话创建请求]
D --> E{身份验证成功?}
E -->|是| F[服务端创建会话]
E -->|否| G[返回错误]
F --> H[客户端进入数据交互阶段]
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mermaid
2.1.2 端点选择与安全策略配置
OPC UA支持多种安全策略，包括None、Sign、SignAndEncrypt等，客户端在连接时需要选择合适的安全策略和服务端匹配。端点（Endpoint）是客户端连接服务端的关键信息，包含协议、地址、端口、安全策略等。

端点选择流程如下：

客户端获取服务端的所有可用端点。
根据客户端配置的安全策略筛选出匹配的端点。
选择最优端点并建立连接。
以下是一个端点信息的表格示例：

端点URL 安全策略安全模式证书指纹
opc.tcp://192.168.1.10:4840 Basic256Sha256 SignAndEncrypt A1:B2:C3:D4:E5:F6:G7:H8
opc.tcp://192.168.1.10:4840 None None -
客户端应优先选择加密强度高、安全性强的端点进行连接，避免使用 None 策略，以防止通信过程中的数据泄露。

2.2 使用C#建立OPC UA客户端连接
C#语言在工业自动化领域具有广泛的应用，结合OPC Foundation提供的.NET Standard SDK（如 OPCFoundation.NETStandard.Opc.Ua ），开发者可以快速构建OPC UA客户端程序。

2.2.1 引入OPC UA SDK库（如OPCFoundation.NETStandard.Opc.Ua）
首先，需在项目中引入OPC UA SDK库。可以通过NuGet包管理器安装：

dotnet add package OPCFoundation.NETStandard.Opc.Ua
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bash
引入后，可以在代码中使用命名空间：

using Opc.Ua;
using Opc.Ua.Client;
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2.2.2 创建客户端实例并连接至服务端
创建客户端实例并连接服务端的步骤如下：

初始化客户端配置。
获取服务端端点信息。
创建客户端实例。
建立连接。
示例代码如下：

// 1. 配置客户端应用描述
var applicationDescription = new ApplicationDescription
{
ApplicationName = "MyOPCClient",
ApplicationType = ApplicationType.Client
};

// 2. 创建配置对象
var configuration = new Configuration
{
Application = applicationDescription
};

// 3. 获取服务端端点
var endpointUrl = "opc.tcp://192.168.1.10:4840";
var endpoints = CoreClientUtils.GetEndpoints(endpointUrl, false).Result;

// 4. 选择安全策略匹配的端点
var selectedEndpoint = endpoints.Find(e => e.SecurityPolicyUri == SecurityPolicies.Basic256Sha256);

// 5. 创建客户端实例
var client = new SessionClient(
configuration,
selectedEndpoint,
new UserIdentity(),
SessionChannel.DefaultOperationTimeout
);

// 6. 建立会话
await client.ConnectAsync();
Console.WriteLine("连接成功！");
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代码逐行分析：

ApplicationDescription ：定义客户端应用程序的描述信息。
Configuration ：用于配置客户端运行参数。
CoreClientUtils.GetEndpoints ：获取服务端的端点列表。
endpoints.Find ：筛选出使用 Basic256Sha256 安全策略的端点。
SessionClient ：创建客户端会话对象。
client.ConnectAsync() ：异步建立连接。
2.2.3 会话建立与身份验证机制
OPC UA支持多种身份验证方式，包括匿名、用户名/密码、X.509证书等。在实际工业应用中，建议使用用户名/密码或证书进行身份验证。

以下是使用用户名和密码的示例：

// 设置用户身份信息
var userIdentity = new UserIdentity(new UserNameIdentityToken
{
UserName = "admin",
Password = "password"
});

// 创建客户端时传入身份信息
var client = new SessionClient(
configuration,
selectedEndpoint,
userIdentity,
SessionChannel.DefaultOperationTimeout
);
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该代码片段使用了 UserNameIdentityToken ，将用户名和密码封装为身份验证令牌。服务端会验证该令牌后决定是否允许建立会话。

2.3 客户端连接异常处理与重连机制
在实际工业环境中，网络不稳定、服务端宕机等情况可能导致连接中断。因此，客户端应具备完善的异常处理和自动重连机制。

2.3.1 连接失败的常见原因分析
连接失败可能由以下原因引起：

原因类型描述
网络不通 IP地址错误或端口未开放
安全策略不匹配客户端与服务端安全策略不一致
身份验证失败用户名或密码错误
服务端未启动 OPC UA服务端未运行
证书问题证书未安装或证书链不完整
在开发中，应根据具体的异常类型进行日志记录和提示。

2.3.2 实现自动重连与异常日志记录
自动重连机制可通过定时尝试连接或监听会话状态变化实现。以下是一个简单的自动重连逻辑示例：

private async Task ReconnectAsync(SessionClient client, string endpointUrl)
{
int retryCount = 0;
const int maxRetries = 5;

while (retryCount < maxRetries)
{
try
{
await Task.Delay(5000); // 每5秒重试一次
await client.ReconnectAsync(endpointUrl, 10000).ConfigureAwait(false);
Console.WriteLine("重连成功！");
break;
}
catch (Exception ex)
{
retryCount++;
Console.WriteLine($"第{retryCount}次重连失败：{ex.Message}");
LogError(ex); // 记录异常日志
}
}

if (retryCount >= maxRetries)
{
Console.WriteLine("达到最大重试次数，连接失败。");
}
}
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代码逻辑说明：

ReconnectAsync ：尝试重新连接服务端。
Task.Delay(5000) ：设置重连间隔时间为5秒。
LogError ：将异常信息写入日志文件，便于后续排查。
日志记录示例函数：

private void LogError(Exception ex)
{
string logMessage = $"[{DateTime.Now}] 异常信息：{ex.Message}\n堆栈：{ex.StackTrace}\n";
File.AppendAllText("opc_client_error.log", logMessage);
}
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此函数将异常信息追加写入日志文件 opc_client_error.log ，便于后期分析和调试。

本章从OPC UA客户端连接的基本原理出发，详细讲解了通信模型、会话机制、端点选择、C# SDK的使用以及连接建立的具体步骤。并通过代码示例展示了如何在C#中实现客户端连接、身份验证、异常处理与自动重连机制，为后续章节中客户端数据读写与订阅机制的实现打下了坚实基础。

3. C#实现OPC UA客户端数据读写操作
在工业自动化系统中，OPC UA（Unified Architecture）协议提供了高效、安全的数据访问机制。客户端通过OPC UA协议可以访问服务端节点的地址空间，实现对节点数据的读取和写入操作。本章将详细介绍如何使用C#语言实现OPC UA客户端对节点数据的读写功能，包括同步与异步数据读取方式、写入操作流程、以及数据验证机制。我们将基于OPCFoundation.NETStandard.Opc.Ua库进行开发，并结合代码示例详细解析每一步操作。

3.1 OPC UA节点与地址空间访问机制
OPC UA的地址空间由多个节点组成，每个节点都有唯一的节点ID（NodeId），并通过节点属性（如Value、DisplayName、Description等）提供访问接口。客户端通过调用服务端的数据访问服务来获取或修改节点的值。

3.1.1 节点ID与节点属性解析
在OPC UA中，节点是地址空间的基本组成单位。每个节点都有一个唯一的NodeID，用于标识该节点。NodeID由命名空间索引和标识符组成，例如：

NodeId nodeId = new NodeId("ns=2;s=Demo.Static.Scalar.Int32", context);
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在上述代码中：
- ns=2 表示命名空间索引为2。
- s=Demo.Static.Scalar.Int32 表示节点的字符串标识符。

每个节点具有多个属性，其中最常用的是：
- Value ：节点的当前值。
- DisplayName ：节点的显示名称。
- Description ：节点的描述信息。
- DataType ：节点值的数据类型。
- ValueRank ：数组维度信息。

属性名称描述
Value 节点的当前数值
DisplayName 显示名称，通常用于UI展示
Description 描述信息，用于说明节点用途
DataType 数据类型，如Int32、String等
ValueRank 数组维度，表示是否为数组
节点的属性可以通过 ReadValueId 结构进行访问：

ReadValueId readValueId = new ReadValueId
{
NodeId = nodeId,
AttributeId = Attributes.Value
};
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其中， AttributeId 用于指定要读取的属性。OPC UA定义了一系列常量表示不同的属性，如：
- Attributes.Value ：节点的值。
- Attributes.DisplayName ：节点的显示名称。
- Attributes.Description ：节点的描述信息。

3.1.2 数据访问服务的调用流程
OPC UA客户端通过调用服务端的 Read 和 Write 服务来实现数据的读写操作。其基本流程如下：

graph TD
A[客户端建立会话] --> B[构建ReadValueId集合]
B --> C[调用Read方法]
C --> D[服务端返回数据]
D --> E[解析返回值]
E --> F[完成读取操作]
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类似地，写入操作流程如下：

graph TD
G[客户端建立会话] --> H[构建WriteValue集合]
H --> I[调用Write方法]
I --> J[服务端处理写入请求]
J --> K[返回写入结果]
K --> L[处理写入反馈]
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mermaid
在C#中，这些操作通过 Session 对象完成。 Session 对象是在客户端连接服务端后创建的会话实例，它提供了对服务端数据的访问能力。

3.2 使用C#进行数据读取操作
OPC UA客户端支持同步和异步两种方式读取数据。同步方式适用于简单、实时性要求不高的场景，而异步方式适用于需要高性能和并发处理的场景。

3.2.1 同步读取单个/多个节点数据
同步读取是最直接的方式，适用于少量节点的读取操作。以下是一个读取单个节点值的示例代码：

// 创建ReadValueId对象
ReadValueId readValueId = new ReadValueId
{
NodeId = new NodeId("ns=2;s=Demo.Static.Scalar.Int32", context),
AttributeId = Attributes.Value
};

// 构建读取请求
ReadRequest readRequest = new ReadRequest
{
NodesToRead = new[] { readValueId },
MaxAge = 0,
TimestampsToReturn = TimestampsToReturn.Both
};

// 调用Read方法
ReadResponse readResponse = session.Read(null, readRequest);

// 解析返回值
DataValue dataValue = readResponse.Results[0];
Console.WriteLine("节点值：" + dataValue.Value);
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代码说明：
- readValueId ：定义要读取的节点及其属性。
- MaxAge ：允许服务端返回缓存数据的最大时间（毫秒），设为0表示请求实时数据。
- TimestampsToReturn ：指定返回的时间戳类型， Both 表示同时返回服务器时间和源时间。
- session.Read() ：调用OPC UA服务端的Read服务，返回结果数组。
- dataValue.Value ：获取节点的值。

若需读取多个节点，只需在 NodesToRead 数组中添加多个 ReadValueId 对象即可：

ReadValueId[] nodesToRead = new ReadValueId[]
{
new ReadValueId { NodeId = new NodeId("ns=2;s=Demo.Static.Scalar.Int32", context), AttributeId = Attributes.Value },
new ReadValueId { NodeId = new NodeId("ns=2;s=Demo.Static.Scalar.String", context), AttributeId = Attributes.Value }
};

ReadRequest readRequest = new ReadRequest
{
NodesToRead = nodesToRead,
MaxAge = 0,
TimestampsToReturn = TimestampsToReturn.Both
};

ReadResponse readResponse = session.Read(null, readRequest);

foreach (DataValue value in readResponse.Results)
{
Console.WriteLine("节点值：" + value.Value);
}
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3.2.2 异步读取数据并处理回调
异步读取适用于需要并发处理多个请求的场景。通过使用 BeginRead 和 EndRead 方法实现异步调用：

// 定义回调函数
private static void ReadCompleted(IAsyncResult ar)
{
try
{
ReadResponse readResponse = session.EndRead(ar);
foreach (DataValue value in readResponse.Results)
{
Console.WriteLine("异步读取值：" + value.Value);
}
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine("异步读取异常：" + ex.Message);
}
}

// 异步调用Read方法
session.BeginRead(null, readRequest, ReadCompleted, null);
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代码说明：
- BeginRead ：启动异步读取操作。
- ReadCompleted ：异步回调函数，在读取完成后自动调用。
- EndRead ：在回调函数中获取异步操作的结果。

异步方式可以显著提高客户端的响应性能，尤其是在处理大量节点读取任务时，推荐使用异步模式。

3.3 使用C#进行数据写入操作
OPC UA客户端不仅可以读取节点数据，还可以向节点写入新值。写入操作需要构造 WriteValue 对象，并调用 Write 方法发送请求。

3.3.1 写入节点属性与值的基本流程
写入操作的基本流程如下：

graph TD
M[创建WriteValue对象] --> N[设置节点ID与属性]
N --> O[设置写入值]
O --> P[调用Write方法]
P --> Q[服务端处理写入请求]
Q --> R[返回写入结果]
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mermaid
以下是一个写入单个节点值的示例代码：

// 定义要写入的节点
NodeId nodeId = new NodeId("ns=2;s=Demo.Static.Scalar.Int32", context);

// 创建WriteValue对象
WriteValue writeValue = new WriteValue
{
NodeId = nodeId,
AttributeId = Attributes.Value,
Value = new DataValue { Value = 12345 }
};

// 构建写入请求
WriteRequest writeRequest = new WriteRequest
{
NodesToWrite = new[] { writeValue }
};

// 调用Write方法
WriteResponse writeResponse = session.Write(null, writeRequest);

// 检查写入结果
if (writeResponse.Results[0].Succeeded())
{
Console.WriteLine("写入成功！");
}
else
{
Console.WriteLine("写入失败：" + writeResponse.Results[0].ToString());
}
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代码说明：
- WriteValue ：封装了节点ID、属性ID和写入的值。
- DataValue ：包含实际写入的数据值。
- session.Write() ：调用OPC UA服务端的Write服务。
- Results[0].Succeeded() ：检查写入操作是否成功。

3.3.2 数据写入结果的验证与反馈机制
写入操作完成后，客户端应验证服务端的响应，确保数据成功写入。可以通过检查 WriteResponse.Results 数组中的状态码来判断写入是否成功：

StatusCode status = writeResponse.Results[0];
if (status.Code == StatusCodes.Good)
{
Console.WriteLine("数据写入成功！");
}
else
{
Console.WriteLine("数据写入失败，错误码：" + status.Code);
}
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此外，可以结合读取操作再次读取该节点的值，进行对比验证：

// 读取刚写入的节点值
ReadValueId readValueId = new ReadValueId
{
NodeId = nodeId,
AttributeId = Attributes.Value
};

ReadResponse readResponse = session.Read(null, new ReadRequest { NodesToRead = new[] { readValueId } });
DataValue readValue = readResponse.Results[0];

if (readValue.Value.Equals(writeValue.Value.Value))
{
Console.WriteLine("写入值验证通过！");
}
else
{
Console.WriteLine("写入值不一致，请检查服务端配置！");
}
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该验证机制可有效防止因服务端处理异常或网络问题导致的数据不一致情况，提高系统的健壮性。

本章详细讲解了使用C#实现OPC UA客户端的数据读写操作，包括同步与异步读取方式、写入操作流程、以及数据验证机制。通过具体的代码示例和流程图，展示了如何构建请求、调用服务端接口、处理返回结果等关键步骤。下一章将深入讲解OPC UA客户端的订阅机制，实现对数据变化的实时监控。

4. C#实现OPC UA客户端订阅机制
在工业自动化系统中，实时数据监控是关键需求之一。OPC UA 提供了强大的订阅机制，使得客户端能够高效地接收服务端数据的变化通知。本章将深入探讨 OPC UA 的订阅机制原理，并通过 C# 实现客户端的订阅管理与数据变化回调逻辑，帮助开发者构建高性能的实时监控系统。

4.1 OPC UA订阅机制原理
OPC UA 的订阅机制是实现客户端实时获取服务端数据变化的核心手段。通过订阅模型，客户端可以避免频繁轮询带来的性能损耗，提升系统响应效率。

4.1.1 数据变化通知机制与订阅模型
OPC UA 定义了三种数据变化触发类型（DataChangeTrigger）来控制数据变化通知的行为：

触发类型描述
Status 仅当节点值的状态发生变化时触发通知
Status Value
Status Value
订阅模型主要由以下几个组件构成：

Subscription ：代表一个订阅实例，包含采样间隔、优先级、队列大小等配置。
MonitoredItem ：表示客户端监视的节点项，每个监视项对应一个 OPC UA 节点。
NotificationMessage ：当数据变化时，服务端会通过此消息将变化的数据发送给客户端。
整个订阅流程如下：

graph TD
A[客户端创建订阅] --> B[服务端返回订阅ID]
B --> C[客户端添加监视项]
C --> D[服务端监控节点变化]
D --> E{是否满足触发条件?}
E -->|是| F[生成NotificationMessage]
F --> G[客户端接收数据变化通知]
E -->|否| D
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4.1.2 订阅服务的生命周期管理
订阅服务的生命周期包括创建、运行、更新和删除几个阶段：

创建阶段：客户端调用 CreateSubscription 服务创建订阅对象，并指定采样间隔、优先级等参数。
运行阶段：客户端添加监视项，服务端开始监控节点数据变化。
更新阶段：客户端可通过 ModifySubscription 和 SetMonitoringMode 接口调整订阅参数或监视项状态。
删除阶段：调用 DeleteSubscription 删除订阅，释放资源。
代码示例：创建订阅的基本调用：

// 创建订阅对象
var request = new CreateSubscriptionRequest
{
RequestHeader = new RequestHeader { AuthenticationToken = session.AuthenticationToken },
ClientHandle = 123456,
RequestedPublishingInterval = 1000, // 每秒发布一次
RequestedLifetimeCount = 60, // 生命周期内最大通知次数
RequestedMaxKeepAliveCount = 10, // 心跳间隔
MaxNotificationsPerPublish = 100, // 每次发布的最大通知数
PublishingEnabled = true, // 启用发布
Priority = 1 // 优先级
};

// 发送请求
var response = await session.CreateSubscriptionAsync(request, CancellationToken.None);
uint subscriptionId = response.SubscriptionId;
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逐行分析：

RequestedPublishingInterval 设置客户端期望的数据更新频率。
ClientHandle 是客户端自定义的标识符，用于后续匹配订阅。
PublishingEnabled 决定是否立即开始接收通知。
CreateSubscriptionAsync 异步调用创建订阅，返回 SubscriptionId 供后续操作使用。
4.2 创建与管理订阅客户端
在实际开发中，开发者需要能够动态地创建订阅对象、配置采样间隔、添加监视项并设置数据变化的触发条件。

4.2.1 创建订阅对象与定义采样间隔
采样间隔（Sampling Interval）决定了服务端对节点值的采样频率。如果节点值在两个采样周期之间发生变化，服务端可能会忽略该变化，除非设置了“死区”（Deadband）机制。

以下是一个完整的订阅对象创建示例：

// 创建订阅对象
var createSubscriptionRequest = new CreateSubscriptionRequest
{
RequestHeader = new RequestHeader { AuthenticationToken = session.AuthenticationToken },
RequestedPublishingInterval = 1000, // 每秒采样一次
RequestedLifetimeCount = 60,
RequestedMaxKeepAliveCount = 10,
MaxNotificationsPerPublish = 100,
PublishingEnabled = true,
Priority = 1
};

var createSubscriptionResponse = await session.CreateSubscriptionAsync(createSubscriptionRequest, CancellationToken.None);
uint subscriptionId = createSubscriptionResponse.SubscriptionId;
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参数说明：

参数描述
RequestedPublishingInterval 客户端请求的发布间隔（毫秒）
RequestedLifetimeCount 在生命周期内允许的最大通知数量
RequestedMaxKeepAliveCount 两次数据变化之间允许的最大心跳间隔数
MaxNotificationsPerPublish 每次发布操作的最大通知条目数
PublishingEnabled 是否启用订阅发布机制
4.2.2 添加监视项并设置触发条件
添加监视项的过程包括指定节点、设置采样间隔、触发条件和死区值。以下是一个添加监视项的完整示例：

// 创建监视项
var monitoredItem = new MonitoredItemCreateRequest
{
ItemToMonitor = new ReadValueId
{
NodeId = new NodeId("ns=2;s=MyVariable"), // 监视的节点ID
AttributeId = Attributes.Value // 监视值属性
},
MonitoringMode = MonitoringMode.Reporting, // 报告模式
RequestedParameters = new MonitoringParameters
{
ClientHandle = 987654,
SamplingInterval = 1000, // 每秒采样一次
Filter = new DataChangeTrigger(DataChangeTrigger.Status | DataChangeTrigger.Value),
QueueSize = 10, // 队列大小
DiscardOldest = true // 丢弃旧数据
}
};

var monitoredItems = new[] { monitoredItem };
var createMonitoredItemsRequest = new CreateMonitoredItemsRequest
{
RequestHeader = new RequestHeader { AuthenticationToken = session.AuthenticationToken },
SubscriptionId = subscriptionId,
TimestampsToReturn = TimestampsToReturn.Both,
ItemsToCreate = monitoredItems
};

var createMonitoredItemsResponse = await session.CreateMonitoredItemsAsync(createMonitoredItemsRequest, CancellationToken.None);
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参数说明：

参数描述
ItemToMonitor 指定监视的节点及其属性
MonitoringMode 监视模式（Reporting、Sampling、Disabled）
SamplingInterval 采样间隔，单位毫秒
Filter 数据变化触发条件
QueueSize 通知队列大小，用于缓存未发送的通知
DiscardOldest 队列满时是否丢弃旧数据
4.3 数据变化事件处理与回调函数
当服务端节点数据发生变化时，客户端会通过订阅机制接收到通知。为了处理这些通知，开发者需要实现回调函数来解析并处理数据变化事件。

4.3.1 接收实时数据变化通知
订阅机制的核心在于客户端能够异步接收来自服务端的通知。OPC UA 使用 Publish 服务来发送这些通知。

以下是一个处理 Publish 响应的示例：

// 循环监听 Publish 响应
while (true)
{
var publishRequest = new PublishRequest
{
RequestHeader = new RequestHeader { AuthenticationToken = session.AuthenticationToken }
};

var publishResponse = await session.PublishAsync(publishRequest, CancellationToken.None);

foreach (var notification in publishResponse.NotificationMessage.NotificationData)
{
if (notification is DataChangeNotification dataChange)
{
foreach (var item in dataChange.MonitoredItems)
{
Console.WriteLine($"ClientHandle: {item.ClientHandle}, Value: {item.Value.Value}, Timestamp: {item.Value.SourceTimestamp}");
}
}
}
}
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代码分析：

PublishAsync 是客户端主动请求通知的方式。
DataChangeNotification 表示数据变化的通知。
MonitoredItems 是一组发生变化的节点项。
SourceTimestamp 表示服务端记录的值变化时间。
4.3.2 在C#中实现数据变化回调逻辑
为了实现更灵活的数据处理逻辑，开发者通常会注册一个回调函数，在数据变化时自动触发。

以下是一个使用事件注册方式的示例：

// 注册回调函数
session.Notification += OnNotificationReceived;

private void OnNotificationReceived(Session session, NotificationEventArgs e)
{
foreach (var notification in e.NotificationMessage.NotificationData)
{
if (notification is DataChangeNotification dataChange)
{
foreach (var item in dataChange.MonitoredItems)
{
Console.WriteLine($"Node: {item.MonitoredItemId}, Value: {item.Value.Value}, Status: {item.Value.StatusCode}");
}
}
}
}
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逻辑说明：

Notification 是 Session 类的一个事件，每当接收到通知时会触发。
OnNotificationReceived 是回调方法，用于处理通知数据。
可以在回调中加入日志记录、数据持久化、UI 更新等操作。
小结
本章详细介绍了 OPC UA 的订阅机制原理，包括订阅模型、数据变化通知机制及其生命周期管理。通过 C# 实现了订阅对象的创建、监视项的添加与配置，并展示了如何处理数据变化通知及回调函数的实现。结合代码示例与流程图、表格等辅助说明，帮助开发者深入理解并掌握 OPC UA 客户端订阅机制的核心实现方法，为构建高效、实时的工业自动化系统打下坚实基础。

5. OPC UA服务端节点定义与创建
OPC UA（Unified Architecture）的核心在于其地址空间的结构化管理。服务端通过定义和创建节点，将实际的设备、变量、方法等信息以统一的方式暴露给客户端，实现跨平台、标准化的数据交互。本章将深入讲解如何使用C#在OPC UA服务端定义和创建自定义节点，包括节点层级结构的设计、属性配置、数据绑定等关键内容，帮助开发者构建一个结构清晰、可扩展的服务端地址空间。

5.1 OPC UA服务端节点的基本概念
5.1.1 节点与地址空间的关系
OPC UA服务端的地址空间是由一组节点（Node）构成的树状结构。每个节点代表一个对象、变量、方法或属性，并通过节点ID（NodeId）进行唯一标识。

节点类型描述
Object 用于表示设备、模块或功能单元
Variable 表示具有值的变量节点，如传感器数值
Method 可调用的操作，如“重启设备”
Property 对象或变量的附加属性，如描述、单位
ObjectType 定义对象的模板，用于实例化
VariableType 定义变量的模板，用于实例化
5.1.2 节点属性详解
每个节点都具有多个标准属性，常见的包括：

NodeId ：节点的唯一标识符。
NodeClass ：节点的类型（如Object、Variable）。
BrowseName ：用于浏览的节点名称。
DisplayName ：显示给用户的名称。
Description ：节点的描述信息。
Value ：仅用于变量节点，表示当前值。
DataType ：变量节点的数据类型（如Int32、String）。
ValueRank ：数据维度（-1 表示单值，1 表示一维数组）。
5.2 使用C#创建OPC UA服务端节点
5.2.1 准备开发环境与引用库
要使用C#开发OPC UA服务端节点，首先需要引入OPC UA SDK。推荐使用开源的 OPCFoundation.NETStandard.Opc.Ua 库。

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dotnet add package OPCFoundation.NETStandard.Opc.Ua
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引用命名空间
using Opc.Ua;
using Opc.Ua.Server;
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5.2.2 创建自定义对象与变量节点
以下是一个完整的C#代码示例，展示如何在OPC UA服务端创建一个自定义对象节点及其下属的变量节点。

public class MyCustomNodeManager : CustomNodeManager2
{
public MyCustomNodeManager(IServerInternal server, ApplicationConfiguration configuration)
: base(server, configuration)
{
}

protected override NodeId NewAddressSpaceRoot()
{
return ObjectIds.ObjectsFolder;
}

public override void CreateAddressSpace(IDictionary<NodeId, INode> externalReferences)
{
base.CreateAddressSpace(externalReferences);

// 创建自定义对象
var myObject = new BaseObjectState(null)
{
NodeId = new NodeId("MyCustomObject", NamespaceIndex),
BrowseName = new QualifiedName("MyCustomObject", NamespaceIndex),
DisplayName = new LocalizedText("MyCustomObject"),
Description = new LocalizedText("This is a custom object representing a device.")
};
AddReference(ObjectIds.ObjectsFolder, ReferenceTypeIds.Organizes, false, myObject.NodeId);
externalReferences.Add(myObject.NodeId, myObject);

// 创建变量节点
var temperatureVariable = new BaseDataVariableState(myObject)
{
NodeId = new NodeId("Temperature", NamespaceIndex),
BrowseName = new QualifiedName("Temperature", NamespaceIndex),
DisplayName = new LocalizedText("Temperature"),
Description = new LocalizedText("Current temperature value of the device."),
DataType = DataTypeIds.Double,
ValueRank = ValueRanks.Scalar,
Value = 25.0
};
myObject.AddReference(ReferenceTypeIds.HasComponent, false, temperatureVariable.NodeId);
externalReferences.Add(temperatureVariable.NodeId, temperatureVariable);
}
}
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代码逐行解读
Line 1-5 ：定义一个自定义的节点管理器类，继承自 CustomNodeManager2 。
Line 7-9 ：构造函数，调用基类构造方法。
Line 11-13 ：设置地址空间的根节点为标准的 ObjectsFolder 。
Line 15-33 ：重写 CreateAddressSpace 方法，在服务端地址空间中创建自定义对象和变量节点。
Line 17-22 ：创建一个 BaseObjectState 类型的对象节点，表示设备对象。
Line 23-24 ：将该对象添加到 ObjectsFolder 下，建立 Organizes 关系。
Line 26-31 ：创建一个 BaseDataVariableState 类型的变量节点，表示温度值。
Line 32-33 ：将变量节点作为对象的组件添加，并注册到外部引用中。
5.2.3 注册节点管理器到服务端
在服务端主程序中注册自定义节点管理器，使节点生效：

server = new StandardServer();
server.AddNodeManager(new MyCustomNodeManager(server, configuration));
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5.3 节点层级结构设计与优化
5.3.1 层级结构设计原则
设计服务端节点层级结构时应遵循以下原则：

清晰性：层级结构应清晰反映设备和数据的逻辑关系。
可扩展性：预留扩展接口，便于后期添加新设备或功能。
一致性：采用统一的命名和组织方式，提升可维护性。
5.3.2 使用Mermaid绘制节点层级图
graph TD
A[ObjectsFolder] --> B[MyCustomObject]
B --> C[Temperature]
B --> D[Pressure]
B --> E[DeviceStatus]
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5.4 节点属性配置与数据绑定
5.4.1 动态数据绑定机制
OPC UA服务端通常需要将节点值与实际设备数据绑定。可以使用以下方式实现动态更新：

temperatureVariable.OnReadValue = (context, node) =>
{
double currentTemperature = ReadFromDevice(); // 从设备读取当前温度
return currentTemperature;
};
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参数说明
context ：上下文信息，包含用户身份、权限等。
node ：当前读取的节点对象。
ReadFromDevice() ：自定义方法，模拟从设备读取数据。
5.4.2 定期刷新机制
通过定时器定期刷新变量值：

var timer = new Timer(RefreshTemperature, temperatureVariable, 0, 1000); // 每秒刷新一次

private void RefreshTemperature(object state)
{
var variable = (BaseDataVariableState)state;
double newValue = ReadFromDevice();
variable.Value = newValue;
}
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5.5 实际应用场景与优化建议
5.5.1 应用于工业物联网（IIoT）
在IIoT场景中，OPC UA服务端常用于将PLC、传感器等设备的数据统一接入平台。通过定义清晰的节点结构，可以实现设备状态的实时监控与远程控制。

5.5.2 性能优化建议
批量读写操作：避免频繁调用单个节点的读写接口，应尽量使用批量处理。
数据缓存机制：对于频繁读取的节点，可引入缓存机制减少设备访问次数。
异步处理：对耗时操作（如设备通信）应使用异步方式，避免阻塞主线程。
5.6 小结
本章详细讲解了OPC UA服务端节点的定义与创建过程，包括节点的基本概念、C#实现方式、层级结构设计、属性配置以及数据绑定机制。通过具体的代码示例与流程图展示，帮助开发者理解如何构建一个结构清晰、功能完备的服务端地址空间。后续章节将继续深入服务端接口实现与服务器启动流程等内容，进一步提升开发者对OPC UA协议的理解与应用能力。

6. OPC UA服务端服务接口实现
在工业自动化系统中，OPC UA 服务端不仅是数据的提供者，更是功能接口的实现者。本章将深入探讨 OPC UA 服务端如何通过标准服务接口和自定义扩展接口，实现对客户端请求的响应，以及如何将这些接口集成到服务器地址空间中。我们将从服务端接口的组成结构入手，逐步过渡到数据访问服务、自定义方法的实现与注册流程。

6.1 服务端接口与OPC UA服务模型
OPC UA 服务端本质上是一个基于服务模型的系统，其核心是通过接口来定义客户端可调用的功能。服务端接口的设计直接决定了客户端如何与服务端交互。

6.1.1 OPC UA服务端接口的组成结构
OPC UA 服务端接口主要由以下几个部分组成：

组成部分描述
地址空间（Address Space）包含节点及其属性，如变量、方法、对象等，是客户端访问的核心数据结构
服务接口（Service Interface）定义了客户端可调用的服务，如读写、订阅、方法调用等
会话管理（Session Management）处理客户端连接、身份验证、会话生命周期管理
安全策略（Security Policy）确保通信过程中的数据完整性与机密性
OPC UA 的服务模型是基于面向对象的设计思想，每个服务接口都对应一组方法调用。例如，读写服务对应 Read 和 Write 方法，订阅服务对应 CreateSubscription 和 Publish 方法等。

6.1.2 标准服务接口与自定义服务扩展
OPC UA 协议中定义了多个标准服务接口，包括：

数据访问服务（Data Access Service）
订阅服务（Subscription Service）
方法调用服务（Method Call Service）
这些服务接口通常由 OPC UA SDK 提供基础实现，开发者可以在其基础上进行扩展。

此外，OPC UA 支持通过自定义服务接口来实现特定业务逻辑。例如，在一个工业控制系统中，我们可以定义一个名为 StartProductionLine 的方法，供客户端远程调用以启动生产线。

6.2 数据访问服务接口实现
数据访问服务是 OPC UA 服务端最基础也是最常用的功能之一，主要包括读取和写入服务。

6.2.1 实现读写服务接口
在 C# 中，OPC UA 服务端的数据访问服务通常通过 StandardServer 类和 IServerInternal 接口实现。我们可以通过继承这些类并重写其方法来定制读写逻辑。

public class CustomServer : StandardServer
{
protected override void OnReadRequest(IServiceContext context, ReadRequest request)
{
// 自定义读取逻辑
var response = new ReadResponse();
foreach (var nodeToRead in request.NodesToRead)
{
// 获取节点值
var value = GetNodeValue(nodeToRead.NodeId);
response.Results.Add(new DataValue(value));
}
context.SendResponse(request, response);
}

protected override void OnWriteRequest(IServiceContext context, WriteRequest request)
{
// 自定义写入逻辑
var response = new WriteResponse();
foreach (var nodeToWrite in request.NodesToWrite)
{
// 设置节点值
SetNodeValue(nodeToWrite.NodeId, nodeToWrite.Value);
response.Results.Add(StatusCodes.Good);
}
context.SendResponse(request, response);
}

private object GetNodeValue(NodeId nodeId)
{
// 实际读取逻辑
return new Variant("CustomValue");
}

private void SetNodeValue(NodeId nodeId, DataValue value)
{
// 实际写入逻辑
Console.WriteLine($"Node {nodeId} set to {value.Value}");
}
}
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代码解释：
OnReadRequest 和 OnWriteRequest 是 OPC UA SDK 提供的标准方法，用于处理客户端的读写请求。
ReadRequest 和 WriteRequest 分别封装了客户端发起的读写请求数据。
context.SendResponse 用于将结果返回给客户端。
GetNodeValue 和 SetNodeValue 是自定义的数据访问逻辑，可以与数据库、PLC、传感器等实际数据源对接。
逻辑流程图：
graph TD
A[客户端发起读写请求] --> B[服务端接收请求]
B --> C{判断请求类型}
C -->|读请求| D[调用OnReadRequest]
C -->|写请求| E[调用OnWriteRequest]
D --> F[获取节点值并返回]
E --> G[设置节点值并返回状态]
F --> H[客户端接收结果]
G --> H
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6.2.2 实现订阅服务接口
订阅服务允许客户端监听节点值的变化，并通过回调机制实时获取数据更新。

实现步骤：
创建订阅对象：
csharp var subscription = new Subscription();

设置采样间隔和触发条件：
csharp subscription.PublishingInterval = 1000; // 每秒更新一次 subscription.Triggering = Triggering.Both; // 数据变化或状态变化时触发

添加监视项：
csharp var monitoredItem = new MonitoredItem { StartNodeId = new NodeId("MyVariable", 2), AttributeId = Attributes.Value, SamplingInterval = 500 }; subscription.MonitoredItems.Add(monitoredItem);

注册回调函数：
csharp monitoredItem.Notification += (sender, e) => { Console.WriteLine($"Node value changed: {e.Value.Value}"); };

启动订阅服务：
csharp server.Subscribe(subscription);

代码解释：
Subscription 类用于定义订阅对象的基本参数。
PublishingInterval 表示客户端接收数据更新的时间间隔。
MonitoredItem 是订阅的具体数据项，可以设置采样间隔和触发类型。
Notification 事件用于处理数据变化通知。
数据变化流程图：
graph LR
A[服务端节点值变化] --> B[触发订阅通知]
B --> C{判断触发类型}
C -->|数据变化| D[发送数据更新]
C -->|状态变化| E[发送状态更新]
D --> F[客户端接收数据变化]
E --> F
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6.3 自定义方法与服务接口注册
除了标准服务接口外，OPC UA 还支持自定义方法接口的定义与注册，使得服务端能够提供更加灵活的功能调用接口。

6.3.1 方法节点的定义与调用
在 OPC UA 中，方法节点是一种特殊类型的节点，它可以通过客户端调用执行特定的逻辑。

定义方法节点：
public class CustomMethodNode : MethodNode
{
public override void OnCall(IServiceContext context, CallRequest request)
{
// 方法调用逻辑
var inputArguments = request.InputArguments;
var outputArguments = new object[] { "Method executed successfully" };

var response = new CallResponse
{
OutputArguments = outputArguments
};

context.SendResponse(request, response);
}
}
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csharp

注册方法节点到地址空间：
var methodNode = new CustomMethodNode
{
NodeId = new NodeId("CustomMethod", 2),
BrowseName = new QualifiedName("CustomMethod", 2),
DisplayName = new LocalizedText("en", "Custom Method")
};

addressSpace.AddNode(methodNode);
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代码解释：
CustomMethodNode 是一个自定义的方法节点类，继承自 MethodNode 。
OnCall 方法是方法节点被调用时执行的逻辑。
CallRequest 包含客户端传入的输入参数。
CallResponse 用于返回输出参数和调用结果。
6.3.2 将自定义服务注册至OPC UA服务器
要将自定义服务注册到 OPC UA 服务器中，需实现 IServiceOperation 接口，并通过 ServerManager 注册。

public class CustomServiceOperation : IServiceOperation
{
public string OperationName => "CustomService";

public void Invoke(IServiceContext context, object request)
{
var customRequest = request as CustomRequest;
var response = new CustomResponse
{
Result = $"Processed: {customRequest.Data}"
};
context.SendResponse(request, response);
}
}

// 注册服务
server.ServerManager.RegisterServiceOperation(new CustomServiceOperation());
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代码说明：
CustomServiceOperation 实现了 IServiceOperation 接口，定义了服务名称和调用逻辑。
Invoke 方法用于处理客户端发送的请求。
RegisterServiceOperation 将自定义服务注册到服务器中，供客户端调用。
自定义服务调用流程图：
graph TD
A[客户端发起服务调用] --> B[服务端接收到请求]
B --> C{查找注册服务}
C -->|存在| D[调用Invoke方法]
C -->|不存在| E[返回错误]
D --> F[执行自定义逻辑]
F --> G[返回结果]
G --> H[客户端接收响应]
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mermaid
本章详细介绍了 OPC UA 服务端服务接口的实现机制，包括标准服务接口的定制、订阅服务的实现逻辑以及自定义方法的定义与注册。通过 C# 编码实践，展示了如何将这些接口集成到 OPC UA 服务端中，为后续的服务器启动与监听提供了基础支持。

7. OPC UA服务器启动与监听
OPC UA服务器作为数据提供方，其启动与监听机制是整个通信系统的核心。本章将详细介绍如何通过C#实现OPC UA服务器的初始化、启动流程、运行时监听逻辑以及异常处理机制，确保服务器稳定运行并有效响应客户端请求。

7.1 OPC UA服务器的启动流程
7.1.1 配置服务器配置文件与端点信息
OPC UA服务器的启动依赖于配置文件的正确设置。通常，服务器的配置信息包含端点地址、端口号、安全策略、证书路径等。

以下是一个典型的服务器配置示例（ serverconfig.json ）：

{
"ServerName": "MyOPCUAServer",
"Port": 51210,
"BaseAddress": "opc.tcp://localhost:51210",
"SecurityPolicies": [
"http://opcfoundation.org/UA/SecurityPolicy#None",
"http://opcfoundation.org/UA/SecurityPolicy#Basic256"
],
"CertificatePath": "./certificates/server.pfx",
"CertificatePassword": "password123"
}
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json

在C#中，可以通过读取该配置文件并初始化服务器配置对象：

var config = JsonConvert.DeserializeObject<ServerConfiguration>(File.ReadAllText("serverconfig.json"));

var serverConfiguration = new ServerConfiguration
{
ServerName = config.ServerName,
BaseAddresses = new List<string> { config.BaseAddress },
SecurityPolicies = config.SecurityPolicies.ToList(),
CertificateFile = config.CertificatePath,
CertificatePassword = config.CertificatePassword
};
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7.1.2 初始化地址空间与服务端节点
在服务器启动前，需要完成地址空间的构建，包括添加自定义节点、绑定变量等。通常，地址空间初始化由 ServerManager 或自定义的地址空间管理类完成。

以下是一个简单的地址空间初始化代码示例：

var addressSpace = new AddressSpace();
var nodeManager = new CustomNodeManager(addressSpace);

// 添加一个模拟变量节点
var variableNode = new BaseDataVariableState(nodeManager.GetRootFolder())
{
NodeId = new NodeId("MyVariable", 2),
BrowseName = new QualifiedName("MyVariable", 2),
DisplayName = new LocalizedText("en", "MyVariable"),
DataType = DataTypeIds.Double,
Value = 0.0
};

addressSpace.AddNode(variableNode);
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7.2 实现服务器运行时监听机制
7.2.1 接收客户端连接请求与会话管理
OPC UA服务器启动后，需持续监听来自客户端的连接请求，并维护客户端会话状态。会话管理包括会话创建、心跳检测、会话保持与释放等。

以下是一个服务器监听客户端连接的C#代码片段：

7.2.2 监听数据访问与订阅请求
服务器需要监听客户端的数据访问请求（如读写节点）和订阅请求（如创建订阅、添加监控项）。这些请求由服务器内置的服务接口处理，开发者可自定义实现回调逻辑。

例如，当客户端请求读取节点值时，可以实现以下回调逻辑：

server.DataRead += (sender, e) =>
{
Console.WriteLine($"Data read request for node: {e.NodeId}");
if (e.NodeId.Identifier.ToString() == "MyVariable")
{
e.Value = addressSpace.GetVariableValue(e.NodeId);
}
};
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对于订阅请求的监听，开发者可订阅 SubscriptionCreated 和 MonitoredItemCreated 事件：

server.SubscriptionCreated += (sender, e) =>
{
Console.WriteLine($"Subscription created: {e.SubscriptionId}");
};

server.MonitoredItemCreated += (sender, e) =>
{
Console.WriteLine($"Monitored item added: {e.ItemToMonitor.NodeId}");
};
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7.3 服务器异常处理与日志记录
7.3.1 异常捕获与服务器稳定性保障
在服务器运行过程中，必须对可能出现的异常进行捕获和处理，以确保服务器的稳定性。常见的异常类型包括网络中断、客户端异常断开、地址空间访问越界等。

以下是一个全局异常处理的示例：

AppDomain.CurrentDomain.UnhandledException += (sender, args) =>
{
var exception = (Exception)args.ExceptionObject;
Console.Error.WriteLine($"Unhandled exception: {exception.Message}");
// 可以记录日志并尝试重启服务
};

TaskScheduler.UnobservedTaskException += (sender, args) =>
{
Console.Error.WriteLine($"Unobserved task exception: {args.Exception.Message}");
args.SetObserved();
};
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7.3.2 日志记录与远程调试支持
为了便于调试和问题排查，服务器应具备完善的日志记录机制。可使用 NLog 或 Serilog 等日志框架记录服务器运行状态。

以下是一个简单的日志记录配置示例（使用NLog）：

var logger = LogManager.GetCurrentClassLogger();

logger.Info("OPC UA Server started.");
server.SessionCreated += (sender, e) => logger.Info($"Session {e.Session.SessionId} created.");
server.SessionClosed += (sender, e) => logger.Info($"Session {e.Session.SessionId} closed.");
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此外，可集成远程调试模块，通过OPC UA节点暴露日志信息或服务器状态，供客户端远程访问查看。

本章通过详细的代码示例和逻辑分析，展示了如何在C#中实现OPC UA服务器的启动、监听机制与异常处理。这些内容为构建一个稳定、可扩展的OPC UA服务端系统提供了坚实基础。

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posted @ 2026-01-10 10:29 sunxiaotianmg 阅读(83) 评论(0) 收藏举报

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C#实现OPC UA客户端与服务端通信实战

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