解鎖IIoT潛力，詳解MQTT通信協(xié)議

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(dòng)下，我們正邁向一個(gè)全新的自動(dòng)化未來(lái)。設(shè)備之間將互聯(lián)互通，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(kuò)展性、與IT和OT系統(tǒng)的兼容性，以及互操作性。同時(shí)，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(qiáng)大支持，適用于哪些不同應(yīng)用場(chǎng)景。

什么是MQTT?

它如何工作？

MQTT(消息隊(duì)列遙測(cè)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(jiǎn)單、開(kāi)放和易于實(shí)現(xiàn)，這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。

自1999年誕生以來(lái)，MQTT作為石油管道帶寬和電池能效監(jiān)控問(wèn)題的技術(shù)解決方案。2013年，IBM將其提交給OASIS規(guī)范委員會(huì)，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(duì)代碼精簡(jiǎn)、開(kāi)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(guò)訂閱一個(gè)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(shì)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?，無(wú)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(gè)基礎(chǔ)元素，每條消息都包含一個(gè)主題和有效載荷，以及頭部信息。主題是代理用來(lái)過(guò)濾消息和訂閱者訂閱的依據(jù)。

主題可以有多個(gè)層級(jí)，如“home/sensor1/identification”包含三個(gè)層級(jí)，“home/sensor1/data/temperature”則包含四個(gè)層級(jí)。每個(gè)層級(jí)用斜杠“/”分隔，且主題結(jié)構(gòu)區(qū)分大小寫(xiě)。主題還可以包含一個(gè)或多個(gè)層級(jí)的占位符，例如使用“+”表示單個(gè)層級(jí)的占位符，如“home/+/data/temperature”。此外，使用“#”表示多層級(jí)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(guò)服務(wù)質(zhì)量等級(jí)來(lái)確保消息的可靠傳輸。QoS等級(jí)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(jí)別的服務(wù)質(zhì)量，需要更多的通信確認(rèn)和實(shí)施措施。

3：會(huì)話感知

MQTT提供了多種機(jī)制來(lái)確保代理與發(fā)布者/訂閱者之間的連接穩(wěn)定?；镜臋C(jī)制是保持連接消息，客戶端會(huì)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(shí)會(huì)向代理提供“遺囑消息”（Last Will and Testament, LWT），以便在客戶端離線時(shí)通知其他客戶端。

4：持久會(huì)話 

當(dāng)代理與訂閱者之間建立了持久會(huì)話，代理會(huì)存儲(chǔ)消息，直到訂閱者準(zhǔn)備好接收。這一特性對(duì)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(shí)時(shí)性如何？

MQTT以其輕量級(jí)和高效性，在物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域展現(xiàn)出杰出的實(shí)時(shí)性能。在發(fā)布者與代理間無(wú)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(shí)時(shí)和無(wú)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(yàn)證機(jī)制。自MQTT 5起，密碼字段可用于令牌傳輸，同時(shí)引入了如質(zhì)詢響應(yīng)認(rèn)證等額外的安全機(jī)制，增強(qiáng)了通信的安全性。

MQTT適用于

哪些應(yīng)用場(chǎng)景？

MQTT的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，尤其適合于那些需要簡(jiǎn)單、緊湊解決方案的場(chǎng)合。無(wú)論是從多個(gè)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(wú)人機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，展現(xiàn)了其強(qiáng)大的適應(yīng)性和實(shí)用性。

 關(guān)于倍加福

倍加福–未來(lái)自動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)者和創(chuàng)新者

倍加福以德國(guó)曼海姆為公司總部，憑借其持續(xù)不斷的對(duì)創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)，向全球工廠自動(dòng)化和過(guò)程行業(yè)的客戶提供豐富而多樣的產(chǎn)品，致力于自動(dòng)化行業(yè)的傳統(tǒng)應(yīng)用和面向未來(lái)的應(yīng)用。同時(shí)，倍加福不斷推動(dòng)前瞻性技術(shù)的開(kāi)發(fā)，為客戶迎接即將來(lái)臨的工業(yè) 4.0 的挑戰(zhàn)鋪平了道路。

自動(dòng)化是我們的世界。

完善的解決方案是我們的目標(biāo)！