什么是MQTT？它如何工作？

在工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、智能工廠和智能設(shè)備等前沿概念的推動下，我們正邁向一個全新的自動化未來。設(shè)備之間將互聯(lián)互通，每個節(jié)點相互連接，交換數(shù)據(jù)。為構(gòu)建智能網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備必具備IIoT的關(guān)鍵特性：標(biāo)準(zhǔn)化、可擴展性、與IT和OT系統(tǒng)的兼容性，以及互操作性。同時，確保通信的安全性也是至關(guān)重要的。

倍加福支持包括MQTT、OPC UA、AMQP和REST API的四種基于TCP的通信協(xié)議。本期內(nèi)容中，我們將首先探索MQTT通信協(xié)議，了解它是如何為智能網(wǎng)絡(luò)提供強大支持，適用于哪些不同應(yīng)用場景。

什么是MQTT?

它如何工作?

MQTT(消息隊列遙測傳輸)是ISO 標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。MQTT協(xié)議輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)，這些特點使它適用范圍非常廣泛。

自1999年誕生以來，MQTT作為石油管道帶寬和電池能效監(jiān)控問題的技術(shù)解決方案。2013年，IBM將其提交給OASIS規(guī)范委員會，隨后在2014年成為正式的OASIS標(biāo)準(zhǔn)。

MQTT的普及得益于其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是在對代碼精簡、開銷減少和網(wǎng)絡(luò)流量受限的環(huán)境中。其基本工作原理如下圖所示：MQTT 客戶端(包括發(fā)布者和訂閱者)連接到 MQTT 代理。一些 MQTT 客戶端通過訂閱一個特定主題，例如下圖中的主題為溫度值，MQTT 客戶端(發(fā)布者)向代理發(fā)送數(shù)據(jù)，然后代理將此消息發(fā)送到所有訂閱的MQTT 客戶端。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)勢在于發(fā)布者和訂閱者的解耦。代理只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一端傳輸?shù)搅硪欢耍瑹o需在它們之間建立大量連接。

MQTT的工作原理——典型的MQTT應(yīng)用

MQTT 主要特性

1：主題

主題是MQTT協(xié)議中的一個基礎(chǔ)元素，每條消息都包含一個主題和有效載荷，以及頭部信息。主題是代理用來過濾消息和訂閱者訂閱的依據(jù)。

主題可以有多個層級，如“home/sensor1/identification”包含三個層級，“home/sensor1/data/temperature”則包含四個層級。每個層級用斜杠“/”分隔，且主題結(jié)構(gòu)區(qū)分大小寫。主題還可以包含一個或多個層級的占位符，例如使用“+”表示單個層級的占位符，如“home/+/data/temperature”。此外，使用“#”表示多層級占位符，如“home/sensor1/#”可以將sensor1發(fā)布的所有數(shù)據(jù)傳輸給訂閱的客戶端。

2：服務(wù)質(zhì)量

MQTT通過服務(wù)質(zhì)量等級來確保消息的可靠傳輸。QoS等級包括0(至多一次)、1(至少一次)和2(僅一次)，其中QoS 2提供高級別的服務(wù)質(zhì)量，需要更多的通信確認(rèn)和實施措施。

3：會話感知

MQTT提供了多種機制來確保代理與發(fā)布者/訂閱者之間的連接穩(wěn)定?；镜臋C制是保持連接消息，客戶端會定期發(fā)送這類消息以確認(rèn)連接的有效性。此外，客戶端在初始連接時會向代理提供“遺囑消息”(Last Will and Testament, LWT)，以便在客戶端離線時通知其他客戶端。

4：持久會話

當(dāng)代理與訂閱者之間建立了持久會話，代理會存儲消息，直到訂閱者準(zhǔn)備好接收。這一特性對于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定的情況尤其有用，確保了消息的可靠傳遞。

MQTT的實時性如何?

MQTT以其輕量級和高效性，在物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域展現(xiàn)出杰出的實時性能。在發(fā)布者與代理間無延遲，且訂閱者與代理保持活躍連接的情況下，MQTT理論上能夠?qū)崿F(xiàn)近乎實時和無延遲的響應(yīng)，滿足快速數(shù)據(jù)處理的需求。

MQTT的安全性如何?

在安全性方面，MQTT自連接初始化階段起就提供了用戶名和密碼的身份驗證機制。自MQTT 5起，密碼字段可用于令牌傳輸，同時引入了如質(zhì)詢響應(yīng)認(rèn)證等額外的安全機制，增強了通信的安全性。

MQTT適用于哪些應(yīng)用場景?

MQTT的應(yīng)用場景廣泛，尤其適合于那些需要簡單、緊湊解決方案的場合。無論是從多個傳感器收集數(shù)據(jù)，還是向大量同類型傳感器發(fā)送信息，或是在低功耗和很低內(nèi)存需求的環(huán)境下，MQTT都能發(fā)揮出色。它在車聯(lián)網(wǎng)、軍事、工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、無人機控制等多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，展現(xiàn)了其強大的適應(yīng)性和實用性。

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