# OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture)

## 1. 개요
**OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture)**는 산업 자동화 장치 간의 상호 운용성을 보장하기 위해 설계된 플랫폼 독립적인 서비스 지향 아키텍처(SOA) 기반의 통신 표준이다.

과거의 OPC Classic은 Microsoft의 COM/DCOM(Component Object Model) 기술에 의존하여 Windows 운영체제에서만 동작한다는 플랫폼 종속성과 방화벽 설정의 어려움이라는 치명적인 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 OPC 재단은 운영체제, 하드웨어, 프로그래밍 언어에 상관없이 데이터를 교환할 수 있는 OPC UA를 개발하였다. 현대의 스마트 팩토리와 산업용 IoT(IIoT) 환경에서 OPC UA는 서로 다른 제조사의 PLC(Programmable Logic Controller), 센서, SCADA, ERP 시스템을 하나로 연결하는 '산업용 표준 언어'로서의 역할을 수행한다.

## 2. 주요 특징 및 설계 원칙
OPC UA는 단순한 데이터 전송 프로토콜을 넘어, 데이터의 의미(Semantic)를 함께 전달하는 정보 모델링을 핵심으로 한다.

*   **플랫폼 독립성:** 특정 OS에 종속되지 않으며 Linux, Windows, macOS 및 임베디드 RTOS에서도 동작한다.
*   **보안성:** 설계 단계부터 보안을 고려하여 인증서 기반의 인증, 암호화, 사용자 권한 관리를 기본 제공한다.
*   **확장성:** 서비스 지향 아키텍처(SOA)를 채택하여 새로운 기능이나 데이터 타입을 유연하게 추가할 수 있다.
*   **상호 운용성:** 표준화된 정보 모델을 통해 서로 다른 벤더의 장비가 별도의 드라이버 개발 없이 데이터를 해석하고 교환할 수 있다.

### [표] OPC Classic vs OPC UA 비교
| 구분 | OPC Classic | OPC UA |
| :--- | :--- | :--- |
| **기반 기술** | Microsoft COM/DCOM | TCP/IP, HTTPS, WebSockets (플랫폼 독립적) |
| **운영체제** | Windows 전용 | OS 독립적 (Cross-platform) |
| **보안** | OS 수준의 DCOM 보안 (설정 매우 복잡) | 자체 보안 계층 (인증서, 암호화, 서명) |
| **데이터 모델** | 단순 태그(Tag) 기반 데이터 전송 | 객체 지향 정보 모델링 (Semantic) |
| **방화벽 통과** | 매우 어려움 (동적 포트 사용) | 용이함 (정적 포트 사용 가능) |

## 3. 동작 원리 및 아키텍처
OPC UA의 핵심은 데이터를 단순한 값의 집합이 아닌, 구조화된 객체로 관리하는 데 있다.

### 3.1 정보 모델링 및 주소 공간 (Address Space)
OPC UA 서버는 내부적으로 **주소 공간(Address Space)**이라는 논리적 구조를 가진다. 이는 노드(Node)들의 집합으로 구성되며, 각 노드는 다음과 같은 요소를 가진다.
*   **NodeId:** 노드를 식별하는 고유 식별자. **네임스페이스 인덱스(Namespace Index)**와 **식별자(Identifier)**의 조합으로 구성된다. (예: `ns=2;s=MyDevice`에서 `ns=2`는 네임스페이스 2번을, `s=MyDevice`는 문자열 형태의 식별자를 의미함)
*   **BrowseName:** 사용자가 식별할 수 있는 이름.
*   **Attributes:** 데이터 값, 데이터 타입, 액세스 권한 등의 속성.
*   **References:** 노드 간의 관계(예: 'HasComponent', 'HasProperty')를 정의하여 계층 구조를 형성한다.

```mermaid
graph TD
    Root[Root Node] -->|HasChild| Obj1[Device Node]
    Root -->|HasChild| Obj2[System Node]
    Obj1 -->|HasComponent| Sensor1[Temperature Sensor]
    Obj1 -->|HasComponent| Sensor2[Pressure Sensor]
    Sensor1 -->|HasProperty| Val1[Current Value: 25.5]
    Sensor1 -->|HasProperty| Unit1[Unit: Celsius]
    Sensor2 -->|HasProperty| Val2[Current Value: 101.3]
    Sensor2 -->|HasProperty| Unit2[Unit: kPa]
```

### 3.2 통신 모델
1.  **Client-Server 모델:** 클라이언트가 서버에 요청을 보내고 응답을 받는 전통적인 방식이다. 설정 변경, 데이터 읽기/쓰기에 주로 사용된다.
2.  **Pub/Sub 모델 (Publish-Subscribe):** 발행자(Publisher)가 데이터를 송신하면 구독자(Subscriber)들이 이를 수신하는 방식이다. 대규모 데이터 전송 및 다수 장치 간의 실시간 통신(MQTT, UDP 기반)에 최적화되어 있다.

## 4. 주요 기능 및 프로토콜 스택
OPC UA는 계층적 스택 구조를 통해 하위 전송 계층의 변화에 유연하게 대응한다.

### 4.1 전송 계층 (Transport Layer)
*   **OPC UA TCP:** 바이너리 인코딩을 사용하여 고속 통신을 지원하는 기본 전송 방식이다.
*   **HTTPS/WebSockets:** 웹 브라우저나 클라우드 환경과의 연동을 위해 JSON/XML 인코딩을 지원한다.

### 4.2 보안 계층 및 인증서 관리 프로세스
OPC UA는 신뢰 관계를 구축하기 위해 **X.509 인증서** 기반의 PKI(Public Key Infrastructure) 체계를 사용한다.

```mermaid
sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Client->>Server: 연결 요청 및 클라이언트 인증서 전송
    Server->>Client: 서버 인증서 전송
    Note over Client, Server: 관리자가 Trust List에 인증서 등록 (수동/CA)
    Client->>Server: 세션 생성 요청 (OpenSecureChannel)
    Server->>Client: 세션 수립 및 대칭키 교환
    Note over Client, Server: 이후 모든 통신은 AES 등으로 암호화
```

**[보안 인증서 관리 상세 단계]**
1.  **인증서 생성:** 클라이언트와 서버는 각각 자신의 공개키와 개인키 쌍을 생성하고 자체 서명 인증서를 만든다.
2.  **인증서 교환:** 연결 시도 시, 클라이언트는 자신의 인증서를 서버에 전송하고 서버 역시 자신의 인증서를 전송한다.
3.  **신뢰 목록(Trust List) 등록:** 관리자는 수신된 인증서를 검토한 후 '신뢰할 수 있는 목록(Trusted List)'에 추가한다. (수동 승인 또는 CA 인증서 사용)
4.  **세션 수립:** 양측이 서로를 신뢰하게 되면, 비대칭 암호화를 통해 세션 키를 교환하고 이후 통신은 대칭 암호화(AES 등)로 보호된다.

### 4.3 데이터 타입 정의
기본 데이터 타입(Boolean, Int32, Float 등) 외에도 사용자 정의 복합 데이터 타입을 생성하여 복잡한 산업 장비의 상태를 하나의 객체로 묶어 전송할 수 있다.

## 5. 활용 사례 및 생태계
### 5.1 스마트 팩토리 및 IIoT
OPC UA는 현장의 PLC(OT 영역)와 상위 MES/ERP(IT 영역)를 연결하는 가교 역할을 한다. 벤더마다 다른 프로토콜(Profinet, EtherCAT, Modbus 등)을 사용하는 장비들을 OPC UA 서버로 통합함으로써 데이터 수집의 단일 창구를 마련하고, 전사적 데이터 통합 및 실시간 모니터링 체계를 구축할 수 있다.

### 5.2 Companion Specifications
특정 산업군이나 장비 유형에 대해 공통된 정보 모델을 정의한 표준을 **Companion Specification**이라고 한다. 이를 통해 동일 종류의 장비라면 제조사가 달라도 동일한 데이터 구조를 갖게 된다.
*   **OPC UA for Machinery / UMATI:** 공작 기계 및 일반 산업 기계의 상호 운용성을 위한 핵심 표준으로, 장비의 상태와 제어 인터페이스를 표준화한다.
*   **OPC UA for Robotics:** 로봇 팔의 상태, 좌표, 에러 코드 표준화.
*   **OPC UA for PLCopen:** PLC 프로그램의 실행 상태 및 변수 표준화.
*   **OPC UA for Machine Tools:** 공작 기계의 툴 정보 및 가공 상태 표준화.
*   **OPC UA for Devices:** 일반적인 센서 및 액추에이터의 기본 모델.

## 6. 구현 예시 및 도구
### 6.1 주요 라이브러리 및 SDK
실제 구현을 위해 다음과 같은 오픈 소스 및 상용 SDK가 사용된다.
*   **Open62541:** C 언어 기반의 오픈 소스 스택으로, 메모리 사용량이 적어 임베디드 시스템에 최적화되어 있다.
*   **asyncua (python-opcua):** 파이썬 환경에서 가장 널리 쓰이는 비동기 라이브러리로, 빠른 프로토타입 개발에 적합하다.
*   **UA .NET Standard:** Microsoft 환경에서 제공되는 표준 라이브러리로, Windows 기반 산업용 소프트웨어 개발에 주로 사용된다.
*   **Unified Automation / Softing SDK:** 고도의 신뢰성과 기술 지원이 필요한 엔터프라이즈 환경을 위한 상용 SDK이다.

### 6.2 데이터 접근 흐름 (의사코드)
**※ 본 코드는 이해를 돕기 위한 의사코드이며, 실제 `asyncua` 라이브러리 문법과 일부 다를 수 있습니다.**

```python
# OPC UA 클라이언트 연결 및 데이터 접근 의사코드
import opcua_library # 실제 구현 시 asyncua 등 사용

# 1. 서버 연결 설정
client = opcua_library.Client("opc.tcp://192.168.0.10:4840")
client.connect()

# 2. 노드 식별자(NodeId)를 통해 대상 노드 참조
# ns=2 (네임스페이스 2), s=TemperatureSensor (식별자 문자열)
temp_node = client.get_node("ns=2,s=TemperatureSensor")

# 3. 데이터 읽기 (Read)
current_value = temp_node.get_value()
print(f"현재 온도: {current_value}")

# 4. 데이터 쓰기 (Write)
# 설정값 변경 시 권한 확인 후 쓰기 수행
temp_node.set_value(25.5)

# 5. 연결 종료
client.disconnect()
```

## 7. 버전별 주요 변경 사항
OPC UA는 지속적인 업데이트를 통해 기능을 확장하고 있다.

| 버전 | 주요 변경 및 추가 사항 | 비고 |
| :--- | :--- | :--- |
| **1.0x** | 기본 아키텍처 정의, Client-Server 모델 확립 | **초기 표준화** |
| **1.03 ~ 1.04** | 보안 프로필 강화, 정보 모델링 세분화 | **Security Profiles** 안정화 |
| **1.05 ~ 1.06** | **Pub/Sub 모델 도입**, MQTT 및 UDP 전송 지원 | **Pub/Sub** IIoT 확장성 강화 |
| **1.09+** | 클라우드 연동 최적화, Companion Spec 생태계 확장 | **스마트 제조** 최적화 |