窄帶物聯(lián)網(wǎng)上的MQTT如何毀掉您的項目

MQTT 是一種用于連接物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的流行協(xié)議。但它與窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）不兼容，窄帶物聯(lián)網(wǎng)是大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)項目中越來越流行的通信標準。它在原型設計過程中工作正常，給公司一種錯誤的印象，即MQTT是正確的協(xié)議選擇。

但是，使用 MQTT 的產(chǎn)品在現(xiàn)場時很可能會遇到性能問題或完全故障。許多制造商和系統(tǒng)集成商沒有意識到隨之而來的風險，這一事實加劇了這個問題：高費用的支持工作、重新吸引開發(fā)團隊的需求、將固件更新分發(fā)到設備隊列的問題以及產(chǎn)品召回。

NB-IoT是一種蜂窩技術，適用于受限（通常）電池供電的設備，屬于低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）網(wǎng)絡類別。與LTE等更傳統(tǒng)的標準相比，它承諾低成本，長電池壽命和卓越的覆蓋范圍。它是資產(chǎn)跟蹤、智能計量、智能城市和其他需要很少數(shù)據(jù)（如地理位置、傳感器數(shù)據(jù)或錯誤代碼）的連接設備的理想選擇，并且已經(jīng)在實際應用中使用，部署每天都在增加。

NB-IoT網(wǎng)絡目前在64個國家（包括美國、中國、澳大利亞和歐洲大部分地區(qū)）運營，全球166家運營商正在投資擴大這一覆蓋范圍。但是，盡管它有好處，但仍然存在一個未宣傳的潛在障礙，如果在產(chǎn)品開發(fā)早期沒有發(fā)現(xiàn)，可能會阻止10年或更長時間的穩(wěn)定產(chǎn)品生命周期。

NB-IoT的工作方式與互聯(lián)網(wǎng)的其他部分不同

NB-IoT針對用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）進行了優(yōu)化，但大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)使用傳輸控制協(xié)議（TCP）進行基本通信。TCP 是某些項目（如網(wǎng)站、文件下載和電子郵件）的不錯選擇，因為它保證數(shù)據(jù)到達，順序正確，并允許在損壞時進行錯誤檢測和重新傳輸。

但是TCP需要設備本身更多的處理能力，導致更多的能源消耗，并且消耗更多的流量。如果您的設備想要發(fā)送單個字節(jié)（例如，指示燈打開或關閉，以 1 或 0 的形式發(fā)送），則開銷 TCP 元數(shù)據(jù)是另外 40 個字節(jié)。實際上，數(shù)據(jù)很少以單個字節(jié)發(fā)送，但值得注意的是，因為蜂窩數(shù)據(jù)傳輸是一種沉重的能源消耗，必須在電池供電的設備上最小化。

更糟糕的是，如果存在來自其他設備的無線電干擾，如果設備位于地下室等接收不良的區(qū)域，或者數(shù)據(jù)丟失或損壞，TCP的重傳機制就會啟動，并且消耗更多的數(shù)據(jù)。這些場景在蜂窩網(wǎng)絡中很常見，這意味著設備再次發(fā)送整個數(shù)據(jù)包，這相當于兩倍的流量和兩倍的能量。

這些特性使TCP成為電池供電設備或受限硬件的糟糕選擇。由于NB-IoT針對受限設備進行了優(yōu)化，因此3GPP將其標準化為全球UDP。

在 NB-IoT 上使用 MQTT 時的陷阱

許多產(chǎn)品制造商選擇 MQTT 作為設備和云之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，因為它得到了云提供商和物聯(lián)網(wǎng)應用支持平臺的廣泛支持。他們也經(jīng)常選擇 MQTT，僅僅是因為他們在使用 Wi-Fi 或 LTE 開發(fā)以前的連接產(chǎn)品時使用了它。

但MQTT依賴于TCP的糾錯和重傳方案，并且可以很好地與Wi-Fi，LTE和以太網(wǎng)配合使用。這并不是說TCP與NB-IoT不兼容，但是當公司嘗試該技術時（例如，在構建原型時），它們的工作條件并不能反映設備在其部署生命周期后期會遇到的情況。

因此，如果您擁有“足夠好”的網(wǎng)絡覆蓋范圍，MQTT 和 TCP 效果很好。而且由于大多數(shù)辦公室不在地下和/或位于大城市，那里有很多無線電覆蓋，問題很少，許多公司認為MQTT將自動用于他們的特定用途。畢竟，原型是成功的，所以他們在不知不覺中向市場發(fā)布了一個低于標準的產(chǎn)品。

然后，一旦部署，他們開始收到遇到問題的客戶的投訴，因為他們不知道將支持NB-IoT的設備放置在接收不良的地下室的后果。

像任何技術一樣，TCP連接可能會失敗，從而導致重復的數(shù)據(jù)重新傳輸。這會導致實際業(yè)務數(shù)據(jù)以外的開銷浪費流量、電池壽命縮短和用戶體驗不佳。

對于使用TCP的項目來說，還有另一個定時炸彈：NB-IoT網(wǎng)絡變得越擁擠，TCP連接失敗的頻率就越高。因此，即使公司針對不良的本地接收優(yōu)化其設備，性能也會隨著時間的推移而下降。

解決業(yè)務影響

起初看似良好的產(chǎn)品發(fā)布現(xiàn)在可能注定要發(fā)生災難。高延遲會導致糟糕的用戶體驗，并且根據(jù)用例的不同，可能會完全破壞項目。然后最終用戶理所當然地抱怨他們的設備沒有按預期工作。

因此，必須重新組建開發(fā)團隊，或者必須組建一個沒有系統(tǒng)先驗知識的新團隊進行改進。然后必須推出新的解決方案，這對于脫機的設備來說很棘手，因為這意味著客戶必須退回產(chǎn)品，或者必須派遣技術人員到設備位置執(zhí)行升級。無論如何解決，此過程都會產(chǎn)生大量的時間和金錢費用。

這個復雜等式中的另一個小因素可能是與數(shù)據(jù)超額相關的成本，但使用的流量可能會超過合同約定的限制，并觸發(fā)運營商的額外費用。金額取決于合同、運營商和設備隊列的規(guī)模，但這也不能被忽視。

但最大的代價是不滿意的客戶群。很難衡量這種情況對他們對品牌的忠誠度或印象的影響，但它可能會產(chǎn)生長期的影響。

實際針對NB-IoT優(yōu)化的協(xié)議

公平地說，上面概述的大多數(shù)要點適用于所有連接的設備，而不僅限于NB-IoT上的MQTT。然而，這是一個更大的問題，因為企業(yè)只是沒有意識到風險 - 他們只是對MQTT太舒服了，不知道他們錯過了什么。

產(chǎn)品制造商和系統(tǒng)集成商應選擇UDP友好的協(xié)議，例如CoAP或輕量級M2M（LwM2M）。這些協(xié)議針對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)進行了優(yōu)化，并將TCP的大部分優(yōu)勢帶到UDP。這些協(xié)議都支持數(shù)據(jù)重傳、錯誤檢測和階次保證。此外，LwM2M 在構建連接產(chǎn)品（尤其是受限設備）方面提供了比 MQTT 更廣泛的功能。

通過設計這些NB-IoT友好協(xié)議，公司和工程團隊可以開始進行廣泛的測試，以檢查設備在現(xiàn)場各種情況下的運行方式。此測試必須涵蓋許多環(huán)境，并且計劃在每個國家/地區(qū)推出，但無論如何，這可能是調試基于 NB-IoT 問題的 MQTT 的時間和資源。

審核編輯：郭婷