Performance von open62541 OPC UA Servern auf Embedded Hardware
Paper auf der IEEE INDIN 2025
Adaept Engineeringzeigt, dass es auch anders geht. Auf der diesjährigen IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN 2025) in Kunming, (China), haben wir das Paper „Comparative Evaluation of open62541 OPC UA Servers onEmbedded Devices“ vorgestellt. Darin beschreiben wir, wie sich ein OPCUA-Server mit dem open62541 Stack auf drei weit verbreiteten Embedded-Plattformenrealisieren lässt und welche tatsächliche erzielt werden kann.
Die Versuchsanordnung
Für die Studie wurden ein STM32H757 (Cortex-M4/M7), ein Espressif ESP32-ROVER-E (Xtensa LX6) und ein Raspberry Pi 4 (Cortex-A72) verwendet. Auf jeder Plattform lief open62541. Als Betriebssystem für die Mikrocontroller wurde Zephyr eingesetzt, um plattformspezifische Hardware-Abstraktionen zu ermöglichen. Der Server beantwortete Lesezugriffe auf ein einfaches Datenmodel. Um praxisnahe Last zu erzeugen, wurde er zunächst von einem einzelnen, dann von bis zu 100 Clients gleichzeitig über 1Gbit Ethernet abgefragt. Die Messkampagne erfasste die Antwortzeiten (RTT) in Anhängigkeit der Anzahl an Clients.
Erkenntnisse die überraschen
Schon der erste Blick auf die Messergebnisse zeigt, wie groß das Potenzial von Mikrocontrollern als vollwertige, sichere Datenknoten im Industrial-IoT ist. Bei einer Rate von 1000 Anfragen pro Sekunde durch einen Client liefert der STM32H7 eine Antwort innerhalb von einer Millisekunde. Vergrößert man die Anfrageperiode auf 5 Millisekunden, also 200 Anfragen pro Sekunde, wird jede Antwort innerhalb von ca. einer Millisekunde unabhängig der Client-Anzahl (1 bis5) zugestellt.
Zum Vergleich wurde der OPC UA Server auf einem ESP32 untersucht. Fragt ein Client den Server 200-mal pro Sekunde an, liegt die Antwortzeit bei 5 Millisekunden. In Konsequenz konnten gezeigt werden, dass der ESP32 ohne Pufferüberläufe bis zuvier Clients, mit je 200 Anfragen pro Sekunde bedienen kann.
Der Raspberry Pi 4 stellt die leistungsstärkste Plattform mit dem komplexesten Betriebssystem im Testaufbau dar. Bis zu 50 Clients konnten bei einer Rate von jeweils 1000 Anfragen pro Sekunde mit dem Server interagieren. Auch hier skaliert das Verhältnis von Clients zu Antwortzeit wie erwartet: Mit 500 Anfragen pro Sekunde können 100 Clients bearbeitet werden, und so weiter.
Warum Mikrocontroller bisher rar mit OPC UA sind
Das Paper macht deutlich, dass die technischen Hürden zwar real sind, aber keineswegs unüberwindbar. Entwickler schrecken jedoch häufig vor dem wahrgenommenen Overhead des OPC UA Standards zurück: Security Layer, erweiterbarer Datenraum, Dienste wie Discovery, History und Subscription wirken sperrig, wenn nur wenige Megabyte Heapspeicher verfügbar sind. Hinzu kommt der hohe Anspruch an das Zeitverhalten und Interoperabilität, den viele Embedded-Teams ohne spezielles Domänenwissen nicht stemmen wollen.
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Adaept Engineering schließt die Lücke
Wir haben in Kunming nicht nur Messwerte präsentiert, sondern auch ein Tutorial abgehalten, wie sich open62541 auf Embedded-Plattformen integrieren lässt. Damit verkürzt sich der Weg vom Konzept zum lauffähigen, standardkonformen OPC UA-Knoten auf Mikrocontrollerbasis signifikant. Wer bereits mit STM32 H7- oder ESP-Mikrocontrollern arbeitet, kann mit unserem Know-How in wenigen Tagen einenstandardkonformen Server integrieren.
Über den Autor
Dr.-Ing. Arne Wall ist Forschungs- und Entwicklungsingenieur im Bereich Industrial Internet of Things (IIoT) und derzeit Mitbegründer und leitender Forschungsingenieur bei der Adaept Engineering GmbH. Er ist spezialisiert auf sichere Kommunikationsprotokolle und Systemarchitekturen, mit einem besonderen Schwerpunkt auf OPC UA und anderen IoT-Technologien wie MQTT und CoAP. Dr. Wall hat wesentlich zur Entwicklung von Sicherheitsframeworks für intelligente Gebäudeautomationssysteme beigetragen. Er hat an der Fakultät für Informatik und Elektrotechnik an der Universität Rostock promoviert, wo er sich in seiner Forschung auf die Verbesserung der Netzwerksicherheit in eingebetteten Systemen konzentrierte. Dr. Wall hat zahlreiche Beiträge auf IEEE- und ACM-Konferenzen veröffentlicht, in denen er seine Erkenntnisse zu Themen im Zusammenhang mit Sicherheitsmechanismen und IoT- Protokollinnovationen teilt.
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