接上篇《工業物聯網核心技術——MQTT(一)》

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三、MQTT的安全

由于MQTT運行于TCP層之上并以明文方式傳輸，這就相當于HTTP的明文傳輸，使用Wireshark可以完全看到MQTT發送的所有消息，消息指令一覽無遺，如圖1所示。

圖1 Wireshark抓取MQTT數據包

這樣可能會產生以下風險：

• 設備可能會被盜用;
• 客戶端和服務端的靜態數據可能是可訪問的(可能會被修改);
• 協議行為可能有副作用;
• 通信可能會被攔截、修改、重定向或者泄露;
• 虛假控制報文注入。

作為傳輸協議，MQTT僅關注消息傳輸，提供合適的安全功能是開發者的責任。安全功能可以從三個層次來考慮——應用層、傳輸層、網絡層。

• 應用層：在應用層上，MQTT提供了客戶標識(Client Identifier)以及用戶名和密碼，可以在應用層驗證設備。
• 傳輸層：類似于HTTPS，MQTT基于TCP連接，也可以加上一層TLS，傳輸層使用TLS加密是確保安全的一個好手段，可以防止中間人攻擊。客戶端證書不但可以作為設備的身份憑證，還可以用來驗證設備。
• 網絡層：如果有條件的話，可以通過拉專線來連接設備與MQTT代理，以提高網絡傳輸的安全性。

1. 認證

MQTT支持兩種層次的認證：

• 應用層：MQTT支持客戶標識、用戶名和密碼認證;
• 傳輸層：傳輸層可以使用TLS，除了加密通訊，還可以使用X509證書來認證設備。

2. 客戶標識

MQTT客戶端可以發送最多65535個字符作為客戶標識(Client Identifier)，一般來說可以使用嵌入式芯片的MAC地址或者芯片序列號。雖然使用客戶標識來認證可能不可靠，但是在某些封閉環境或許已經足夠了。

3. 用戶名和密碼

MQTT協議支持通過CONNECT消息的username和password字段發送用戶名和密碼。

用戶名及密碼的認證使用起來非常方便，不過由于它們是以明文形式傳輸，所以使用抓包工具就可以輕易的獲取。

一般來說，使用客戶標識、用戶名和密碼已經足夠了，比如支持MQTT協議連接的OneNET云平臺，就是使用了這三個字段作為認證。如果感覺還不夠安全，還可以在傳輸層進行認證。

4. 在傳輸層認證

在傳輸層認證是這樣的：MQTT代理在TLS握手成功之后可以繼續發送客戶端的X509證書來認證設備，如果設備不合法便可以中斷連接。使用X509認證的好處是，在傳輸層就可以驗證設備的合法性，在發送CONNECT消息之前便可以阻隔非法設備的連接，以節省后續不必要的資源浪費。而且，MQTT協議運行在使用TLS時，除了提供身份認證，還可以確保消息的完整性和保密性。

5. 選擇用戶數據格式

MQTT協議只實現了傳送消息的格式，并沒有限制用戶協議需要按照一定的風格，因此在MQTT協議之上，我們需要定義一套自己的通信協議。比如說，發布者向設備發布一條打開消息，設備可以回復一個消息并攜帶返回碼，這樣的消息格式是使用二進制、字符串還是JSON格式呢?下面就簡單做個選型參考。

6. 十六進制/二進制

MQTT原本就是基于二進制實現的，所以用戶協議使用二進制實現是一個不錯的選擇。雖然失去了直觀的可讀性，但可以將流量控制在非常小。其實對于單片機開發者來說十六進制并不陌生，因為單片機寄存器都是以位來操作的，芯片間通信也會使用十六進制/二進制。而對于沒有單片機開發經驗的工程師來說，十六進制/二進制可能就太原始了。下面我們繼續看看還有沒有其他方案。

7. 字符串

對單片機開發者來說，字符串也是一個選擇。比如通過串口傳輸的AT指令就是基于字符串通信的。使用字符串方便了人閱讀，但是對高級語言開發者來說，鍵值對(Key-Value)才更受歡迎。

四、MQTT好拍檔

1. JSON

JSON中文全稱是JavaScript對象標記語言，在這門語言中，一切都是對象。因此，任何支持的類型都可以通過JSON來表示，例如字符串、數字、對象、數組等。其語法規則是：

• 對象表示為鍵值對;
• 數據由逗號分隔;
• 花括號保存對象;
• 方括號保存數組。

JSON層次結構簡潔清晰，易于閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成，有效提升網絡傳輸效率。

對于單片機開發者，主流的微控制器軟件開發工具Keil有提供JSON庫，可以用于STC、STM32等微控制器開發，所以在微控制器上解析JSON不需要自己寫一個JSON解析器或者移植了。

如果實在懶得使用JSON庫生成或解析，也可以直接使用C語言中的sprintf生成JSON字符串，比如：

sprintf(buf, "{"String":"%s", "Value":%d}", "Hello World!", 12345); 

這樣就可以生成一個{“String”:”Hello World!”, “Value”:12345}JSON字符串了。

2. XML

MQTT協議只負責通信部分，用戶協議可以自己選擇，當然也可以選擇復雜又冗長的XML格式。可是既然要選擇MQTT+XML，為什么不考慮換為XMPP呢?

3. 小結

綜上所述，MQTT+JSON協議簡潔清晰、易于閱讀、解析和生成等，也考慮了服務器端開發者和設備端開發者的開發成本。

五、有關MQTT的云平臺和工具

1. 支持MQTT的云平臺

目前，百度、阿里、騰訊的云平臺都逐漸有了物聯網開發套件：騰訊QQ物聯平臺內測中，阿里云物聯網套件公測中，兩者都需要進行申請試用，而百度云物聯網套件已經支持MQTT并且可以免費試用一段時間。除了BAT三大家，下面再介紹一些其他支持MQTT的物聯網云平臺。

• OneNET云平臺：OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺。平臺能夠幫助開發者輕松實現設備接入與設備連接，快速完成產品開發部署，為智能硬件、智能家居產品提供完善的物聯網解決方案。OneNET云平臺已經于2014年10月正式上線。
• 云巴：云巴(Cloud Bus)是一個跨平臺的雙向實時通信系統，為物聯網、App和Web提供實時通信服務。云巴基于MQTT，支持Socket.IO協議，支持RESTful API。

2. MQTT服務器

如果不想使用云平臺，只是純粹地玩一下MQTT，或者只想在內網對設備進行監控，那么可以自己本地部署一個MQTT服務器。下面介紹幾款MQTT服務器：

• Apache-Apollo：一個代理服務器，在ActiveMQ基礎上發展而來，可以支持STOMP、AMQP、MQTT、Openwire、SSL和WebSockets等多種協議，并且Apollo提供后臺管理頁面，方便開發者管理和調試。
• EMQ：EMQ 2.0，基于Erlang/OTP語言平臺開發，支持大規模連接和分布式集群，發布訂閱模式的開源MQTT消息服務器。
• HiveMQ：一個企業級的MQTT代理，主要用于企業和新興的機器到機器M2M通訊和內部傳輸，滿足可伸縮性、易管理和安全特性，提供免費的個人版。HiveMQ提供了開源的插件開發包。
• Mosquitto：一款實現了消息推送協議MQTT v3.1的開源消息代理軟件，提供輕量級的、支持可發布/可訂閱的消息推送模式。

3. MQTT調試工具

知道了各大平臺的MQTT，同時自己也可以在內網部署MQTT服務器，那接下來沒有調試工具怎么行呢，難道要用自己喜歡的語言編寫一個?當然不需要。MQTT調試工具可以考慮使用HiveMQ的MQTT客戶端——HiveMQ Websockets Client，這是一款基于WebSocket的瀏覽器MQTT客戶端，支持主題訂閱和發布。

4. MQTT與其他協議

目前各大平臺都開始支持MQTT協議，MQTT相比其他協議有什么優勢呢?物聯網設備能不能用其他的協議呢?下面是MQTT與其他部分協議的比較，給大家作為參考。

5. MQTT與TCP Socket

雖然MQTT運行于TCP層之上，看起來這兩者之間根本沒有比較性，但筆者覺得還是有必要敘述一番，因為大多數從事硬件或嵌入式開發的工程師，都是直接在TCP層上通信的。從事嵌入式開發工作的人都應該知道LwIP，LwIP是一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧，LwIP在保證嵌入式產品擁有完整的TCP/IP功能的同時，又能保證協議棧對處理器資源的有限消耗，其運行一般僅需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM。

也就是說，只要是嵌入式產品使用了LwIP，就支持TCP/IP協議棧，進而可以使用MQTT協議。

由于TCP協議有粘包和分包問題，所以傳輸數據時需要自定義協議，如果傳輸的數據報超過MSS(報文段長度)，一定要給協議定義一個消息長度字段，確保接收端能通過緩沖完整收取消息。一個簡單的協議定義：消息頭部+消息長度+消息正文。

當然，使用MQTT協議則不需要考慮這個問題，這些MQTT都已經處理好了，MQTT最長可以一次性發送256MB數據，不用考慮粘包分包的問題。

總之，TCP和MQTT本身并不矛盾，只不過基于Socket開發需要處理更多的事情，而且大多數嵌入式開發模塊本身也只會提供Socket接口供廠家自定義協議。

6. MQTT與HTTP

HTTP最初的目的是提供一種發布和接收HTML頁面的方法，主要用于Web。HTTP是典型的C/S通訊模式：請求從客戶端發出，服務端只能被動接收，一條連接只能發送一次請求，獲取響應后就斷開連接。該協議最早是為了適用Web瀏覽器的上網瀏覽場景而設計的，目前在PC、手機、Pad等終端上都應用廣泛。由于這樣的通信特點，HTTP技術在物聯網設備中很難實現設備的反向控制，不過非要實現也不是不行，下面看一下Web端的例子。

目前，在微博等SNS網站上有海量用戶公開發布的內容，當發布者發布消息，數據傳到服務器更新時，就需要給關注者盡可能的實時更新內容。Web網站基于HTTP協議，使用HTTP協議探測服務器上是否有內容更新，就必須頻繁地讓客戶端請求服務器進行確認。在瀏覽器中要實現這種效果，可以使用Comet技術，Comet是基于HTTP長連接的“服務器推”技術，主要有兩種實現模型：基于AJAX的長輪詢(long-polling)方式和基于Iframe及htmlfile的流(streaming)方式。這兩種技術模型在這里不詳細展開，有興趣的讀者可以查閱相關資料。

如果要實現設備的反向控制，可能就要用到前面提到的Comet技術。由于需要不斷的請求服務器，會導致通信開銷非常大，加上HTTP冗長的報文頭，在節省流量上實在沒有優勢。

當然，如果只是單純地讓設備定時上報數據而不做控制，也是可以使用HTTP協議的。

7. MQTT與XMPP

最有可能與MQTT競爭的是XMPP協議。XMPP(可擴展通訊與表示協議)是一項用于實時通訊的開放技術，它使用可擴展標記語言(XML)作為交換信息的基本格式。其優點是協議成熟、強大、可擴展性強。目前主要應用于許多聊天系統中，在消息推送領域，MQTT和XMPP互相競爭。下面列舉MQTT與XMPP各自的特性：

• XMPP協議基于繁重的XML，報文體積大且交互繁瑣;而MQTT協議固定報頭只有兩個字節，報文體積小、編解碼容易;
• XMPP基于JID的點對點消息傳輸;MQTT協議基于主題(Topic)發布訂閱模式，消息路由更為靈活;
• XMPP協議采用XML承載報文，二進制必須進行Base64編碼或其他方式處理;MQTT協議未定義報文內容格式，可以承載JSON、二進制等不同類型報文，開發者可以針對性的定義報文格式;
• MQTT協議支持消息收發確認和QoS保證，有更好的消息可靠性保證;而XMPP主協議并未定義類似機制;
• 在嵌入式設備開發中大多使用的是C語言開發，C語言解析XML是非常困難的。MQTT基于二進制實現且未定義報文內容格式，可以很好的兼顧嵌入式C語言開發者;而XMPP基于XML，開發者需要配合協議格式，不能靈活開發。

綜上所述，在嵌入式設備中，由于需要一個靈巧簡潔，對設備開發者和服務端開發者都友好的協議，MQTT比XMPP更具有優勢。

8. MQTT與CoAP

CoAP也是一個能與MQTT競爭的協議。其模仿HTTP的REST模型，服務端以URI方式創建資源，客戶端可以通過GET、PUT、POST、DELETE方式訪問這些資源，并且協議風格也和HTTP極為相似，例如一個設備有溫度數據，那么這個溫度可以被描述為：

CoAP://:/sensors/temperature 

其中為設備的IP，為端口。

不過，如果使用CoAP可能會讓物聯網后臺的情況變得復雜，比如MQTT可以實現一個最簡單的IoT架構：Device + MQTT服務器 + APP，手機端或Web端可以直接從MQTT服務器訂閱想要的主題。而CoAP可能需要這樣的架構：CoAP + Web + DataBase + App，使用CoAP必須經過DataBase才能轉給第三方。

至于CoAP和MQTT孰優孰劣，這里不作定論。不過目前來說，CoAP資料還是略少。而且，MQTT除了可以應用于物聯網領域，在手機消息推送、在線聊天等領域都可以有所作為。

9. 小結

經過以上的比較，我們可以得出如下結論：MQTT基于異步發布/訂閱的實現解耦了消息發布者和訂閱者，基于二進制的實現節省了存儲空間及流量，同時MQTT擁有更好的消息處理機制，可以替代TCP Socket一部分應用場景。相對于HTTP和XMPP，MQTT可以選擇用戶數據格式，解析復雜度低，同時MQTT也可用于手機推送等領域。手機作為與人連接的入口，正好建立了人與物的連接，可謂一箭雙雕。當然，其他協議也可以作為一個輔助的存在，HTTP可以為只需定時上傳數據的設備服務，CoAP則更適用于非常受限的移動通信網絡，表3直觀地展示了上文提到的幾種協議之間的優劣異同。