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OPCUA讨论（三）——客户端代码解读

邻居的猫1个月前 (12-09)后端开发572

本系列文章：
OPCUA 评论（一）——测验与开发环境树立
OPCUA 评论（二）——服务器节点初探
OPCUA 评论（三）——客户端代码解读
OPCUA 评论（四）——客户端代码解读2

本文开端评论OPCUA客户端源码的结构。
项目地址：https://gitee.com/zuoquangong/opcuaapi

一、项目结构阐明

咱们在Visual Studio2022中翻开项目文件（.sln），检查“解决计划资源管理器”：

该客户端中心功用在OpcUaAPI.cs。

上述结构与咱们的运用流程相对应：

下面咱们逐一进程进行评论。
留意，这儿咱们运用了OPC基金会供给的第三方包（NuGet管理器中可检查详细信息）：

点击检查代码 
using Opc.Ua.Configuration;
using Utils=Opc.Ua.Utils;
using Opc.Ua;
它们供给了咱们进行开发的底层东西。

二、运用大局装备

2.1 运用实例（Application Instance）

OPCUA服务器和OPCUA客户端都称作OPCUA运用（OPCUA Application）。咱们的客户端软件适当所以客户端的一个实例。
实例化一个Opc.Ua.Configuration.ApplicationInstance类目标m_appInstance，能够运用该目标为咱们的客户端装备运用参数。
m_appInstance有一个成员ApplicationConfiguration，其内部包含了各种运用参数。

点击检查代码 
/// <summary>
/// 经过运用实例ApplicationInstance创立运用装备
/// </summary>
public async void buildConfig()
{
    string clientName = "myApp"; //客户端运用称号

    // 运用实例
    m_appInstance = new ApplicationInstance()
    {
        ApplicationType = ApplicationType.Client,  //界说运用类型。此处界说为客户端，也能够界说成服务器等
        ApplicationName = clientName,
    };
    Assert.NotNull(m_appInstance); // 断定内存分配成功；假如不成功。。。
    m_appInstance.ApplicationConfiguration= new Opc.Ua.ApplicationConfiguration();

    //进行运用装备
    CreateConfig();

    //装备证书验证进程
    certificateValidator = new CertificateValidator();
    m_appInstance.ApplicationConfiguration.CertificateValidator = certificateValidator;
    certificateValidator.CertificateValidation += certClient; //设置 证书验证进程 处理函数

    return;
}
以上进程可用下图概略：

2.2 运用装备（Application Configuration）

在buildConfig函数中咱们调用了CreateConfig函数，对m_appInstance.ApplicationConfiguration进行了详细设置。

点击检查代码 
private void CreateClientConfiguration()
{
    // 运用程序装备能够从任何文件加载。
    // ApplicationConfiguration.Load（）办法经过在App.config中查找文件途径来加载装备。
    // 这种办法答应运用程序同享装备文件并对其进行更新。
    // 此示例运用其默许结构函数创立最小ApplicationConfiguration。

    Opc.Ua.ApplicationConfiguration configuration = m_appInstance.ApplicationConfiguration;
    //地址赋值，两个变量指向同一个存储区。对configuration的设置等价于对m_appInstance.ApplicationConfiguration设置

    // Step 1 - 指定客户端标识.
    configuration.ApplicationName = m_appInstance.ApplicationName;
    configuration.ApplicationType = m_appInstance.ApplicationType;
    configuration.ApplicationUri = "urn:MyClient";
    configuration.ProductUri = "myApp1.0";

    // Step 2 - 进行安全装备，并指定客户端的运用程序实例证书。
    configuration.SecurityConfiguration.AutoAcceptUntrustedCertificates = true;
    configuration.SecurityConfiguration.RejectSHA1SignedCertificates = false;
    // 运用程序实例证书有必要放在windows证书存储中，由于这是维护私钥的最佳办法。存储中的证书由4个参数标识：
    configuration.SecurityConfiguration = new SecurityConfiguration();
    configuration.SecurityConfiguration.ApplicationCertificate = new CertificateIdentifier();
    configuration.SecurityConfiguration.ApplicationCertificate.StoreType = CertificateStoreType.X509Store;
    configuration.SecurityConfiguration.ApplicationCertificate.StorePath = "CurrentUser\\My";
    configuration.SecurityConfiguration.ApplicationCertificate.SubjectName = configuration.ApplicationName;

    // 为服务器证书检查界说受信赖的根存储
    configuration.SecurityConfiguration.TrustedIssuerCertificates.StoreType = CertificateStoreType.X509Store;
    configuration.SecurityConfiguration.TrustedIssuerCertificates.StorePath = "CurrentUser\\Root";
    configuration.SecurityConfiguration.TrustedPeerCertificates.StoreType = CertificateStoreType.X509Store;
    configuration.SecurityConfiguration.TrustedPeerCertificates.StorePath = "CurrentUser\\Root";

    // 在存储中查找客户端证书
    Task<X509Certificate2> clientCertificate = configuration.SecurityConfiguration.ApplicationCertificate.Find(true);

    // 假如找不到，请创立一个新的自签名证书
    if (clientCertificate.Result == null)
    {
        CreateCertificateAndAddToStore(configuration.ApplicationUri, configuration.ApplicationName, configuration.SecurityConfiguration.ApplicationCertificate.StoreType, configuration.SecurityConfiguration.ApplicationCertificate.StorePath);
    }

    // Step 3 - 指定支撑的传输配额
    // 传输配额用于设置对音讯内容的约束，并用于避免DOS进犯和流氓客户端。它们应该设置为合理的值。
    configuration.TransportQuotas = new TransportQuotas();
    configuration.TransportQuotas.OperationTimeout = 360000;
    configuration.TransportQuotas.SecurityTokenLifetime = 86400000;
    configuration.TransportQuotas.MaxStringLength = 67108864;
    configuration.TransportQuotas.MaxByteStringLength = 16777216; //Needed, i.e. for large TypeDictionarys

    // Step 4 - 指定客户端特定的装备
    configuration.ClientConfiguration = new ClientConfiguration();
    configuration.ClientConfiguration.DefaultSessionTimeout = 360000;

    // Step 5 - 验证装备
    // 此进程检查装备是否共同，并分配SDK运用的一些内部变量。假如运用ApplicationConfiguration.Load()办法从文件加载装备，则会主动调用此函数。
    _ = configuration.Validate(ApplicationType.Client);

    return;
}
上述运用装备与下图对应：


左面四个参数相似本运用的身份ID，当时能够恣意设置。
右边的客户端装备（ClientConfiguration）装备了一个DefalutSessionTimeOut=360000，意为默许情况下，超时360000ms（6分钟）无回应则会话主动断开。
安全装备（SecurityConfiguration）装备内容如下：

  1. 假如需求较高安全性，主张不要主动接纳不信赖证书，设置AutoAcceptUntrustedCertificates = False;
  2. 之所以有RejectSHA1SignedCertificates这个参数，是由于SHA1算法安全性不高，假如在安全上有较高要求，主张设置RejectSHA1SignedCertificates = True;
  3. 一般公钥/私钥长度越长，越难暴力破解，安全性越高，因而MinimumCertificateKeySize能够设置为较大的数，但一起加密、解密时刻会变长；
  4. 最重要的是咱们要经过设置ApplicationCertification确保咱们的客户端有证书可用（没有则主动创立自签名证书），这个证书用于服务器承认通讯者的身份，是树立安全通道的条件。
    这儿简略阐明下，在OPCUA里，服务器与客户端树立信息安全通道有三种安全形式（Security Mode）：
    None，无安全策略，不查验对方通讯者的身份，也不对通讯内容进行加密，安全性为零，仅用于测验，实际情况不要运用；
    Sign，仅签名形式，经过证书签名验证对方通讯者身份，但通讯内容不加密，签名能够确保信息完好未经篡改；
    SignAndEncrypt，签名且信息内容加密，最安全的形式。
    咱们这儿装备的运用证书是完成Sign和SignAndEncrypt安全形式的根底。
    一般运用自签名证书作为咱们的客户端运用证书，以下为证书生成代码：
点击检查代码 
 /// <summary>
 /// 创立一个新的自签名证书并存储，用于树立安全数据通道进程中的身份验证
 /// </summary>
 /// <param name="applicationUri">运用ID</param>
 /// <param name="applicationName">运用称号</param>
 /// <param name="storeType">存储类型</param>
 /// <param name="storePath">存储途径</param>
 private void CreateCertificateAndAddToStore(string applicationUri, string applicationName, string storeType, string storePath)
 {
     List<string> localIps = GetLocalIpAddressAndDns(); // Get local interface ip addresses and DNS name
     ushort keySize = 2048; //must be multiples of 1024
     ushort lifeTimeInMonths = 24; //month till certificate expires
     ushort hashSizeInBits = 256; //0 = SHA1; 1 = SHA256
     var startTime = System.DateTime.Now; //starting point of time when certificate is valid

     var certificateBuilder = CertificateFactory.CreateCertificate(
         applicationUri,
         applicationName,
         null,
         localIps);

     X509Certificate2 clientCertificate2 = certificateBuilder
         .SetNotBefore(startTime)
         .SetNotAfter(startTime.AddMonths(lifeTimeInMonths))
         .SetHashAlgorithm(X509Utils.GetRSAHashAlgorithmName(hashSizeInBits))
         .SetRSAKeySize(keySize)
         .CreateForRSA();
     clientCertificate2.FriendlyName = m_appInstance.ApplicationName;
     clientCertificate2.AddToStore(
             storeType,
             storePath,
             null
         );
 }

 /// <summary>
 /// 获取本地IP地址，用于创立证书
 /// </summary>
 /// <returns></returns>
 /// <exception cref="Exception"></exception>
 private List<string> GetLocalIpAddressAndDns()
 {
     List<string> localIps = new List<string>();
     var host = Dns.GetHostEntry(Dns.GetHostName());
     foreach (var ip in host.AddressList)
     {
         if (ip.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork)
         {
             localIps.Add(ip.ToString());
         }
     }
     if (localIps.Count == 0)
     {
         throw new Exception("Local IP Address Not Found!");
     }
     localIps.Add(Dns.GetHostName());
     return localIps;
 }

传输配额（TransportQuotas），用的不多，按默许的设置，先不说了。

2.3 证书验证器（CertificateValidator）

在需求签名的通讯办法中，客户端和服务器两边都要验证对方的身份，因而咱们需求为咱们的客户端设置验证服务器证书（Server Certification）的进程。
m_appInstance.ApplicationConfiguration.CertificateValidator是运用装备的证书验证器，为其增加咱们自界说的验证进程certClient。

点击检查代码 
/// <summary>
/// 处理证书认证事情
/// </summary>
/// <param name="sender"></param>
/// <param name="e"></param>
private void certClient(object sender, CertificateValidationEventArgs e)
{
    //惯例认证流程：
    if (certStep == 0)
    {
        X509Store store = new X509Store(StoreName.Root, StoreLocation.CurrentUser);
        store.Open(OpenFlags.ReadOnly);

        // 先找本机是否有现成的证书
        X509CertificateCollection certCol = store.Certificates.Find(X509FindType.FindByThumbprint, e.Certificate.Thumbprint, true);
        store.Close();
        if (certCol.Capacity > 0)
        {
            e.Accept = true;
        }
        //假如本机没有保存证书，则敞开证书概况窗口
        else
        {
            FormCertClient formCertClient = new FormCertClient(e);
            formCertClient.ShowDialog();
        }

        if (e.Accept == true)
        {
            certStep++;
        }
    }
    //这儿设置了一个certStep，由于发现在认证进程中会呈现两次弹窗，第一次承认后，会弹出第二个证书认证窗口
    //而第二个窗口不会影响认证成果，因而certStep=1时直接越过即可，然后将certStep归零
    else
    {
        e.Accept = true;
        certStep = 0;
    }
}

其间 FormCertClient 是一个自界说的验证窗口类：

2.4 在windows电脑上检查已装置的证书

win + R组合键，唤出运转窗口，输入certmgr.msc，进入证书管理器。


咱们的客户成功运转过一次后，能够检查到自签名证书：

假如与服务器进行过衔接，则能够看到服务器证书。
西门子Sinumerik的证书：

Prosys的证书：

三、树立会话

OPCUA的大部分功用（变量阅读、读写、监控等）都树立在会话（Sessions）根底上：


下面评论怎么树立会话。

3.1 端点挑选与会话树立

首要咱们得知道OPCUA服务器的IP和端口号，例如是opc.tcp://192.168.215.1:4840。
之后，树立会话流程如下：


端点（Endpoint）是指可与服务器树立安全衔接的一个计划，不同端点给出不同的安全策略。
例如，某OPCUA服务器供给以下端点（Endpoint）：


（这儿的Basic128Rsa15、Basic256、Basic256Sha256是加密算法。）
在第一次衔接到服务器时，无法树立会话（Session），但此刻能够获取端点描绘（EndpointDescriptions，一个端点描绘能够理解为一个详细安全策略，包含选用什么样的安全形式、什么样的加密办法等），然后断开衔接；第2次衔接时，依照端点描绘运用相应安全策略，这时树立的衔接才干创立会话。因而，树立会话需求树立两次衔接。


咱们在客户端代码里先进行会话的根本装备，然后再开端树立衔接，代码如下：

点击检查代码 
/// <summary>
/// 创立会话
/// 给出Url即 创立一个会话（Session）
/// （是否需求支撑多个会话标签，像阅读器相同？）
/// 现在仅支撑一个Session
/// </summary>
/// <param name="url"></param>
/// <returns></returns>
public async Task CreateSession(Uri url)
{
    var endpointsDescription = SelectEndpoint(url, true); //第一次衔接：获取端点（Endpoint）信息，并挑选一个适宜的端点（默许挑选安全性最高的端点）
    try
    {
        Opc.Ua.Client.Session new_session = await Opc.Ua.Client.Session.Create( //第2次衔接：运用所选端点树立会话
      configuration: m_appInstance.ApplicationConfiguration,

      //装备endpoint相关设置
      endpoint: new ConfiguredEndpoint(
          collection: null,
          description: endpointsDescription,
          configuration: Opc.Ua.EndpointConfiguration.Create(applicationConfiguration: m_appInstance.ApplicationConfiguration)
          ),

      updateBeforeConnect: false,
      checkDomain: false,
      sessionName: "Session" + DateTime.Now.ToString(),  //会话称号默许为Session+时刻戳（准确到秒）
      sessionTimeout: 60000U,//SessionTimeout
      identity: UserIdentity,
      preferredLocales: new string[] { "zh-CN" } //首选区域
      );
        //MessageBox.Show(new_session.Connected.ToString());

        current_session = new_session; //设置客户端当时会话
        m_sessions.Add(new_session); //将新会话参加会话列表
    }
    catch ( Exception ex )
    {
        //MessageBox.Show( ex.ToString() );
        return;
    }
    return;
}

/// <summary>
/// 挑选衔接时运用的Endpoint
/// 默许挑选安全性最高的Endpoint
/// </summary>
/// <param name="discoveryUrl"></param>
/// <param name="useSecurity"></param>
/// <returns></returns>
private EndpointDescription SelectEndpoint(Uri discoveryUrl, //服务器Url
                                           bool useSecurity  //是否运用安全措施（SecurityMode）
                                           )
{
    var configuration = Opc.Ua.EndpointConfiguration.Create();
    configuration.OperationTimeout = 5000;  // 操作超时约束（5s）（为了不长时间占用网络资源）
    EndpointDescription endpointDescriptionMain = null; //终究回来的endpoint的描绘
    try
    {
        using (var discoveryClient = DiscoveryClient.Create(discoveryUrl, configuration))
        {

            m_endpoints = discoveryClient.GetEndpoints(null);

            //int count = 0;
            foreach (var endpointDescriptionAlternate in
                m_endpoints.Where(endpointDescriptionAlternate =>
                endpointDescriptionAlternate.EndpointUrl.StartsWith(discoveryUrl.Scheme))
                //挑选scheme前缀和discoveryUrl的scheme（例如http，ftp等）相匹的endpoint
                )
            // 遍历一切endpoint，挑选契合安全要求的，安全等级最高的
            {
                string securityPolicyTMP = endpointDescriptionAlternate.SecurityPolicyUri.Remove(0, 42);
                //MessageBox.Show(ecount.ToString()+count.ToString()+securityPolicy);
                string keyTMP = "[" + m_appInstance.ApplicationName + "] " +
                    " [" + endpointDescriptionAlternate.SecurityMode + "] " +
                    " [" + securityPolicyTMP + "] " +
                    " [" + endpointDescriptionAlternate.EndpointUrl + "]";
                //MessageBox.Show((count++).ToString()+". "+keyTMP);

                if (useSecurity) //是否运用信息安全措施
                {
                    //禁用安全策略None
                    //if (endpointDescriptionAlternate.SecurityMode == MessageSecurityMode.None)
                    //    continue;
                }
                else if (endpointDescriptionAlternate.SecurityMode != MessageSecurityMode.None)
                    continue;

                //假如当时没有主计划，则初始化一个主计划
                if (endpointDescriptionMain == null) // endpointDescriptionMain初始化
                {
                    endpointDescriptionMain = endpointDescriptionAlternate;
                    //MessageBox.Show("我初始化了");
                }

                //每次比较当时计划和主计划的安全系数，运用更安全的计划替代主计划
                //因而终究计划为最安全计划
                //if (endpointDescriptionAlternate.SecurityLevel < endpointDescriptionMain.SecurityLevel) //主动挑选最高安全等级
                if (endpointDescriptionAlternate.SecurityMode > endpointDescriptionMain.SecurityMode ||
                    (endpointDescriptionAlternate.SecurityMode == endpointDescriptionMain.SecurityMode && endpointDescriptionAlternate.SecurityLevel > endpointDescriptionMain.SecurityLevel)
                   )
                    {
                    //MessageBox.Show(endpointDescriptionAlternate.SecurityMode.ToString() + " > " + endpointDescriptionMain.SecurityMode.ToString() + "\r\n"
                    //    + endpointDescriptionAlternate.SecurityLevel.ToString() + " > " + endpointDescriptionMain.SecurityLevel.ToString()
                    //    + "\r\n我晋级了");
                    endpointDescriptionMain = endpointDescriptionAlternate;
                    
                }
            }//完毕遍历foreach

            if (endpointDescriptionMain == null)
            {
                
                if (m_endpoints.Count > 0) //找不到计划（scheme）相匹配的，直接拿第一个endpoint来用
                {
                    //MessageBox.Show("没有满意条件的endpoint");
                    endpointDescriptionMain = m_endpoints[0];
                }

            }
        }
    }
    catch(Exception ex)
    {
        MessageBox.Show("获取接入点（endpoints）时呈现过错:\r\n" + ex.ToString());
        return null;
    }
    

    var uri = Utils.ParseUri(endpointDescriptionMain.EndpointUrl); //回来一个Uri(url)实例

    //到这儿，uri的取值能够是null，和discoveryUrl的scheme共同的uri，和discoveryUrl的scheme不共同的uri

    if (uri != null && uri.Scheme == discoveryUrl.Scheme) //scheme指http，file，git，ftp之类
        endpointDescriptionMain.EndpointUrl = new UriBuilder(uri)
        {
            Host = discoveryUrl.DnsSafeHost,
            Port = discoveryUrl.Port
        }.ToString();

    string securityPolicy = endpointDescriptionMain.SecurityPolicyUri.Remove(0, 42);
    
    //显现运用的Endpoint的详细信息
    //string key = "[" + m_appInstance.ApplicationName + "] " +
    //    " [" + endpointDescriptionMain.SecurityMode + "] " +
    //    " [" + securityPolicy + "] " +
    //    " [" + endpointDescriptionMain.EndpointUrl + "]";
    //MessageBox.Show(key);

    return endpointDescriptionMain;
}

代码里的discoveryUrl指第一次衔接获取端点描绘（EndpointDescriptions）时运用的Url。

3.2 完毕当时会话

完毕会话之前需求把里边的订阅使命（监控使命）先删去去。

点击检查代码 
/// <summary>
/// 2.2 断开当时衔接
/// </summary>
public void Disconnect()
{
    if (current_session != null)
    {
        if(current_session.Connected)
        {
            string name = current_session.SessionName;
            current_session.RemoveSubscriptions(current_session.Subscriptions.ToList()); //删去会话中的悉数订阅使命（监控使命）
            current_session.Close();
            m_sessions.Remove( current_session );
            MessageBox.Show(name+"会话完毕");
            if(m_sessions.Count > 0)
            {
                current_session=m_sessions.First();
            }
        }
        else
        {
            MessageBox.Show("当时会话未衔接");
        }
    }
    else
    {
        MessageBox.Show("当时无会话");
    }
}

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标签: OPCUA
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