什么是MQTT協(xié)議?

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(MQTT)是一種輕量級(jí)消息傳遞協(xié)議，專為受限設(shè)備和低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。MQTT提供了一種簡(jiǎn)單高效的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控方法，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用。

MQTT協(xié)議通過TCP/IP運(yùn)行，并使用發(fā)布/訂閱模型。在此模型中，客戶端設(shè)備將其數(shù)據(jù)發(fā)送到代理。其他客戶端設(shè)備根據(jù)其訂閱的主題從代理接收數(shù)據(jù)。因此，MQTT允許以去中心化、解耦的方式在多個(gè)設(shè)備之間共享數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的高效通信。

MQTT的關(guān)鍵方面之一是其簡(jiǎn)單性。該協(xié)議只有少量命令，并使用簡(jiǎn)單的二進(jìn)制格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種簡(jiǎn)單性使得MQTT能夠在從強(qiáng)大的服務(wù)器，到微型傳感器的各種設(shè)備上快速高效地實(shí)施。

MQTT協(xié)議的歷史和演變

MQTT協(xié)議最初由IBM和Arcom(現(xiàn)為Eurotech)于1999年設(shè)計(jì)，用于通過高延遲和低帶寬的衛(wèi)星鏈路連接石油管道傳感器。主要目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單、輕量級(jí)的協(xié)議，以便通過這些具有挑戰(zhàn)性的網(wǎng)絡(luò)有效傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)。

多年來，MQTT不斷得到改進(jìn)和調(diào)整，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷變化的需求。該協(xié)議因其簡(jiǎn)單性、高效性和可擴(kuò)展性而獲得了廣泛的接受。2013年，MQTT被結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織(OASIS)采納為開放標(biāo)準(zhǔn)，此后，MQTT被廣泛應(yīng)用于汽車、能源、醫(yī)療保健和家庭自動(dòng)化等各個(gè)行業(yè)。

如今，MQTT被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支持技術(shù)之一。MQTT能夠處理來自數(shù)百萬臺(tái)設(shè)備的海量數(shù)據(jù)，且資源需求低，使其成為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。

MQTT在物聯(lián)網(wǎng)用例中的優(yōu)勢(shì)

低帶寬要求

在物聯(lián)網(wǎng)世界中，設(shè)備通常通過受限網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，因此以最小帶寬傳輸數(shù)據(jù)的能力至關(guān)重要。MQTT因其緊湊的二進(jìn)制消息格式和高效的發(fā)布/訂閱模型，而在這一領(lǐng)域表現(xiàn)出色。通過使用MQTT，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以緊湊、高效地傳輸數(shù)據(jù)，從而最大限度地減少帶寬使用并降低通信成本。

電池供電設(shè)備的高效用電

物聯(lián)網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)之一是電源效率，特別是對(duì)于電池供電的設(shè)備。MQTT通過有效利用網(wǎng)絡(luò)資源來解決這一挑戰(zhàn)。通過使用持久的TCP連接和保持活動(dòng)機(jī)制，MQTT最大限度地減少了網(wǎng)絡(luò)流量并降低了功耗。此功能使MQTT成為電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的合適選擇，因?yàn)樗梢詭椭娱L(zhǎng)電池壽命。

易于實(shí)施和可擴(kuò)展性

MQTT以其簡(jiǎn)單性和易于實(shí)施而聞名。該協(xié)議只有幾個(gè)命令，其二進(jìn)制消息格式易于解析。這種簡(jiǎn)單性使得MQTT可以輕松地在各種設(shè)備上實(shí)施，從強(qiáng)大的服務(wù)器到微型物聯(lián)網(wǎng)傳感器。

此外，MQTT具有高度可擴(kuò)展性。其發(fā)布/訂閱模型允許在大量設(shè)備之間高效地分發(fā)數(shù)據(jù)。此外，MQTT代理可以集群化來處理海量數(shù)據(jù)和數(shù)百萬客戶端，使MQTT成為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。

適合各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的服務(wù)質(zhì)量水平

MQTT提供三個(gè)服務(wù)質(zhì)量(QoS)級(jí)別，為消息傳遞提供不同的保證。此功能使MQTT適用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，從低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)監(jiān)控到關(guān)鍵控制應(yīng)用。通過選擇適當(dāng)?shù)腝oS級(jí)別，開發(fā)人員可以確保其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用滿足他們特定的可靠性和性能要求。

MQTT在物聯(lián)網(wǎng)中的局限性

需要持續(xù)可用的網(wǎng)絡(luò)連接

MQTT的主要限制之一是它依賴于持續(xù)可用的網(wǎng)絡(luò)連接。由于MQTT使用持久TCP連接進(jìn)行通信，因此需要客戶端設(shè)備和代理之間有持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)鏈接。在一些網(wǎng)絡(luò)連接斷斷續(xù)續(xù)或不可靠的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，這一要求可能具有挑戰(zhàn)性。

安全問題和額外安全措施的必要性

雖然MQTT包含一些基本的安全功能，例如用戶名/密碼身份驗(yàn)證和SSL/TLS加密，但它沒有提供全面的安全措施。例如，MQTT不支持基于角色的訪問控制或消息完整性檢查。因此，可能需要額外的安全措施，例如防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)和安全編碼實(shí)踐，以確保基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全。

對(duì)非文本數(shù)據(jù)類型的有限支持

MQTT的另一個(gè)限制是其對(duì)非文本數(shù)據(jù)類型的支持有限。MQTT消息是二進(jìn)制的，并且該協(xié)議不包含任何用于編碼或解碼非文本數(shù)據(jù)類型的內(nèi)置機(jī)制。因此，開發(fā)人員必須實(shí)現(xiàn)自己的數(shù)據(jù)序列化和反序列化方法，這會(huì)增加基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的復(fù)雜性。

替代物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

CoAP

CoAP是一種計(jì)算機(jī)協(xié)議，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)用于受限環(huán)境，例如低功耗和有損網(wǎng)絡(luò)。它構(gòu)建在用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)，而不是傳輸控制協(xié)議(TCP)之上，這使得它比MQTT更輕量級(jí)。

然而，作為基于UDP的協(xié)議，CoAP不能保證消息的可靠傳遞。雖然它確實(shí)具有用于確認(rèn)消息接收的內(nèi)置機(jī)制，但是它沒有MQTT的服務(wù)質(zhì)量級(jí)別那么高的可靠性。此外，作為請(qǐng)求響應(yīng)協(xié)議，CoAP不支持發(fā)布-訂閱模型，與MQTT相比，這可能會(huì)限制其可擴(kuò)展性。

AMQP

高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議(AMQP)是一種功能強(qiáng)大的消息傳遞協(xié)議，它提供了一系列功能，例如消息定向、隊(duì)列、路由、可靠性和安全性。與MQTT和CoAP不同，AMQP并不是專門為物聯(lián)網(wǎng)用例設(shè)計(jì)的，但可以用于此類目的。

雖然AMQP比MQTT提供更多功能，但它也更復(fù)雜、更笨重，這對(duì)于資源有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說可能是一個(gè)缺點(diǎn)。然而，它對(duì)發(fā)布訂閱模型的支持及其強(qiáng)大的可靠性和安全功能，使其成為某些物聯(lián)網(wǎng)用例的合適選擇。

WebSockets

WebSockets是一種通過單個(gè)長(zhǎng)期連接在客戶端和服務(wù)器之間，提供全雙工通信的協(xié)議。這使其成為實(shí)時(shí)通信用例的理想選擇。WebSockets并不是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的，但它可以與其他協(xié)議，例如MQTT結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)通信。

WebSockets的主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠提供實(shí)時(shí)通信。然而，它比MQTT和CoAP更重，并且不具有與MQTT相同水平的可靠性。

XMPP

可擴(kuò)展消息傳遞和狀態(tài)協(xié)議(XMPP)是主要用于即時(shí)消息傳遞和狀態(tài)信息的協(xié)議。它是一種靈活的協(xié)議，可以擴(kuò)展以支持包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

雖然XMPP不如MQTT或CoAP輕量級(jí)，但它具有高度可擴(kuò)展性，這使其成為不同物聯(lián)網(wǎng)用例的通用選擇。然而，與WebSocket一樣，XMPP不具有與MQTT相同級(jí)別的可靠性，并且實(shí)現(xiàn)起來可能更復(fù)雜。

MQTT是統(tǒng)治一切的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議嗎?

正如TCP/IP成為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)一樣，MQTT有潛力成為物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。盡管存在一些限制，但MQTT的優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)單、輕量級(jí)和高效，使其特別適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求。

以下是MQTT能夠成為物聯(lián)網(wǎng)事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)的原因：

從頭開始專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)：MQTT在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了物聯(lián)網(wǎng)的限制和要求，例如最小的帶寬使用、高效的電源使用，以及即使在資源受限的設(shè)備上也能輕松實(shí)現(xiàn)。與適合物聯(lián)網(wǎng)使用但最初并非為其設(shè)計(jì)的協(xié)議相比，MQTT具有固有的優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過驗(yàn)證的可擴(kuò)展性：MQTT已證明其可擴(kuò)展，以滿足大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需求的能力。憑借其高效的發(fā)布/訂閱模型和集群代理的能力，MQTT可以有效管理數(shù)百萬臺(tái)設(shè)備之間的通信，隨著連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量不斷增長(zhǎng)，這是一個(gè)至關(guān)重要的要求。

服務(wù)質(zhì)量級(jí)別：MQTT的服務(wù)質(zhì)量(QoS)級(jí)別為消息傳遞保證提供了靈活的選項(xiàng)。從可以容忍偶爾丟失消息的遙測(cè)數(shù)據(jù)，到必須可靠傳遞的關(guān)鍵控制消息，MQTT的QoS級(jí)別可以滿足各種應(yīng)用需求。

廣泛采用和社區(qū)支持：MQTT已在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)得到廣泛采用，并擁有強(qiáng)大的社區(qū)支持。這種采用和支持使MQTT成為可靠的選擇，因?yàn)殚_發(fā)人員可以依靠持續(xù)的協(xié)議開發(fā)、廣泛的庫和工具以及提供建議和解決問題的活躍社區(qū)。

與其他協(xié)議集成：雖然MQTT在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信中大出風(fēng)頭，但它也可以與其他協(xié)議有效集成。例如，它可以通過WebSockets用于實(shí)時(shí)的基于瀏覽器的應(yīng)用，從而提供了額外的靈活性。

當(dāng)然，MQTT并不完美。它需要持久的網(wǎng)絡(luò)連接，其內(nèi)置的安全功能是基本的，并且它本身并不支持非文本數(shù)據(jù)類型。然而，這些限制是可以減輕的。通過仔細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的使用，可以提高網(wǎng)絡(luò)的彈性。額外的安全措施可以保護(hù)MQTT通信，序列化/反序列化方法可以處理非文本數(shù)據(jù)。

總之，MQTT盡管有其局限性，但具有顯著的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)勢(shì)，使其非常適合物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。它的設(shè)計(jì)、可擴(kuò)展性、靈活性以及廣泛的采用和支持，使其成為統(tǒng)治一切的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的有力競(jìng)爭(zhēng)者，就像TCP/IP對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的影響一樣。

然而，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性意味著其他協(xié)議將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。未來可能不屬于單一協(xié)議，而是屬于以MQTT為核心的協(xié)同工作的協(xié)議生態(tài)系統(tǒng)。