解锁IIoT潜力，详解MQTT通信协议

在工业4.0、物联网（IIoT）、智能工厂和智能设备等前沿概念的推动下，我们正迈向一个全新的自动化未来。设备之间将互联互通，每个节点相互连接，交换数据。为构建智能网络，设备必具备IIoT的关键特性：标准化、可扩展性、与IT和OT系统的兼容性，以及互操作性。同时，确保通信的安全性也是至关重要的。

倍加福支持包括MQTT、OPC UA、AMQP和REST API的四种基于TCP的通信协议。本期内容中，我们将首先探索MQTT通信协议，了解它是如何为智能网络提供强大支持，适用于哪些不同应用场景。

什么是MQTT?

它如何工作？

MQTT(消息队列遥测传输)是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。MQTT协议轻量、简单、开放和易于实现，这些特点使它适用范围非常广泛。

自1999年诞生以来，MQTT作为石油管道带宽和电池能效监控问题的技术解决方案。2013年，IBM将其提交给OASIS规范委员会，随后在2014年成为正式的OASIS标准。

MQTT的普及得益于其在工业领域的广泛应用，特别是在对代码精简、开销减少和网络流量受限的环境中。其基本工作原理如下图所示：MQTT 客户端（包括发布者和订阅者）连接到 MQTT 代理。一些 MQTT 客户端通过订阅一个特定主题，例如下图中的主题为温度值，MQTT 客户端（发布者）向代理发送数据，然后代理将此消息发送到所有订阅的MQTT 客户端。这种拓扑结构的显著优势在于发布者和订阅者的解耦。代理只负责将数据从一端传输到另一端，无需在它们之间建立大量连接。

MQTT的工作原理——典型的MQTT应用

MQTT 主要特性

1：主题

主题是MQTT协议中的一个基础元素，每条消息都包含一个主题和有效载荷，以及头部信息。主题是代理用来过滤消息和订阅者订阅的依据。

主题可以有多个层级，如“home/sensor1/identification”包含三个层级，“home/sensor1/data/temperature”则包含四个层级。每个层级用斜杠“/”分隔，且主题结构区分大小写。主题还可以包含一个或多个层级的占位符，例如使用“+”表示单个层级的占位符，如“home/+/data/temperature”。此外，使用“#”表示多层级占位符，如“home/sensor1/#”可以将sensor1发布的所有数据传输给订阅的客户端。

2：服务质量

MQTT通过服务质量等级来确保消息的可靠传输。QoS等级包括0（至多一次）、1（至少一次）和2（仅一次），其中QoS 2提供高级别的服务质量，需要更多的通信确认和实施措施。

3：会话感知

MQTT提供了多种机制来确保代理与发布者/订阅者之间的连接稳定。基本的机制是保持连接消息，客户端会定期发送这类消息以确认连接的有效性。此外，客户端在初始连接时会向代理提供“遗嘱消息”（Last Will and Testament, LWT），以便在客户端离线时通知其他客户端。

4：持久会话 

当代理与订阅者之间建立了持久会话，代理会存储消息，直到订阅者准备好接收。这一特性对于网络环境不稳定的情况尤其有用，确保了消息的可靠传递。

MQTT的实时性如何？

MQTT以其轻量级和高效性，在物联网通信领域展现出杰出的实时性能。在发布者与代理间无延迟，且订阅者与代理保持活跃连接的情况下，MQTT理论上能够实现近乎实时和无延迟的响应，满足快速数据处理的需求。

MQTT的安全性如何？

在安全性方面，MQTT自连接初始化阶段起就提供了用户名和密码的身份验证机制。自MQTT 5起，密码字段可用于令牌传输，同时引入了如质询响应认证等额外的安全机制，增强了通信的安全性。

MQTT适用于

哪些应用场景？

MQTT的应用场景广泛，尤其适合于那些需要简单、紧凑解决方案的场合。无论是从多个传感器收集数据，还是向大量同类型传感器发送信息，或是在低功耗和很低内存需求的环境下，MQTT都能发挥出色。它在车联网、军事、工业设备网络、无人机控制等多个领域都有着广泛的应用，展现了其强大的适应性和实用性。

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