了解消息队列遥测传输协议 (MQTT) 在工业自动化行业的应用

消息队列遥测传输 (MQTT) 的历史

MQTT 由 Andy Stanford-Clark 与 IBM 和 Arlen Nipper 于 1999 年开发，用于通过卫星将石油管道上的测量设备连接到他们的 SCADA（监督控制和数据采集）系统。他们开发这个协议是因为他们需要一些轻量级、带宽资源丰富且消耗很少功耗的协议来通过卫星链路。

2014年，MQTT正式成为OASIS（结构化信息标准促进组织）开放标准。它旨在保持开源实现，以确保在机器对机器 (M2M) 行业中得到广泛采用。

2019年，OASIS发布了官方更新的MQTT 5.0标准。5.0 版包括诸多新功能：例如原因代码、共享订阅、消息到期和主题别名。

如今，MQTT 已被许多工业领域采用，包括汽车、公用事业、物流、制造、智能家居、消费品和运输，连接全球数百万台设备。

什么是消息队列遥测传输 (MQTT)？

MQTT 代表消息队列遥测传输，是一种使用发布/订阅 (PubSub) 模型用于物联网 (IoT) 和工业 4.0 的通信协议。它非常轻量级，在 TCP/IP 堆栈之上执行，并且设计用于连接需要开发人员最少编码的分布式设备。

MQTT 具有带宽效率且不占用资源。它还可以在安全套接字层 (SSL)/传输层安全 (TLS)（一种建立在 TCP/IP 上的安全协议）上运行，以确保设备之间的所有数据消息都是加密和安全的。

发布订阅模型

在 MQTT PubSub 模型中，客户端是消息生产者（发布者）或消费者（订阅者）。客户端之间不建立直接链接，也不知道彼此的位置或 IP 地址。相反，它们都连接到一个 MQTT 代理，该代理仅充当流量（消息）存储和导向器，如图 1 所示。

图 1. MQTT 中的发布/订阅模型。图片由 Behr Technologies 提供

在这个例子中，有一个发布者和两个订阅者订阅了同一个发布者获得相同的信息。但是，在许多应用程序中，经常会看到多对多关系，如图 2 所示。

图 2. MQTT 中的多对多关系。图片由 ResearchGate 提供

MQTT 代理只将它从发布者接收到的消息发送给订阅了 MQTT 主题的订阅者。接下来我们将讨论 MQTT 主题。

消息队列遥测传输 (MQTT) 的内部

消息队列遥测传输 (MQTT) 主题

在 MQTT 中，主题是指一个分层的 UTF-8 文本字符串，代理使用它来过滤消息并将消息传递给每个订阅者。主题由一个或多个主题级别组成，每个主题级别用正斜杠分隔。所有消息都必须包含一个主题，并且订阅者必须订阅该主题。主题示例以以下格式呈现（重要的是要注意主题区分大小写）。

我的房子/一楼/房间1/温度
我的房子/一楼/房间4/温度
我的房子/二楼/房间2/湿度

MQTT 是一种支持异步通信的消息传递协议。它通过只知道代理的 IP 地址和端口号来发布或订阅消息，从而在空间上解耦消息的生产者和使用者。它还通过在网络断开时为客户端存储消息来解耦时间。这使得该协议在不稳定的网络（如蜂窝和无线电网络）中具有很强的可扩展性。

MQTT 以纯文本形式发送连接凭证，因此不提供安全措施和身份验证本身。这可以通过使用带有用户名、密码保护连接的 TLS 加密并要求客户端提供与代理证书匹配的证书来解决。

默认的未加密 MQTT 端口为 1883。加密端口为 8883。
消息队列遥测传输 (MQTT) 服务质量 (QoS)
MQTT 中的服务质量 (QoS) 是发布者和订阅者之间关于保证传递消息的协议。

QoS分为三个级别：

0–最多一次，代理不确定
1–至少一次，代理向发布者发送确认
2 – 恰好一次，发布者和订阅者之间的握手

当发布者向 MQTT 代理发布消息时，它会确定该消息的 QoS 级别。当代理将消息转发给订阅者时，它也会发送与发布者设置的相同的 QoS。

级别 0 对带宽的负担较小，并在认为连接可靠时使用。使用最高级别 2 可以保证交付，但会增加负载数据传输。

消息队列遥测传输 (MQTT) Sparkplug B

Eclipse Foundation 管理着一个与 MQTT 兼容的 Sparkplug 协议规范，其中 MQTT 是通信协议，Sparkplug 定义了数据结构。通过在 MQTT 之上添加新的要求和功能，为实时和关键任务工业应用选择了该规范。

Sparkplug B 向 MQTT 实现添加了三个主要要求：

强制状态意识。发布者必须在连接时发布证明，定义所有主题，并通过代理向订阅者广播其在线状态。如果与网络断开连接，它还会向代理提交证明以进行分发。图 3 描述了与 MQTT 代理建立设备通信的过程。

图 3. MQTT Sparkplug 中的设备会话建立。图片由 Eclipse 基金会提供 [PDF]

有效载荷定义。MQTT 是数据不可知的，可以与任何客户端一起运行，但同时增加了订阅者将增加数据的负担。Sparkplug 将 MQTT 负载与结构化元数据打包在一起，以便任何 Sparkplug 客户端都可以识别消息。然后将整个有效载荷压缩成更小的占地面积。

标准主题格式。 MQTT 中的主题可能会掩盖互操作性，因为不同的边缘设备可以使用不同的命名约定。 Sparkplug 定义了一种标准的主题格式，以减少客户端之间的不一致并使其能够正确解释数据。
 
边缘到云的连接

MQTT 是跨平台的。代理可以在 Windows、Linux 和其他平台上安装和运行。展望未来，越来越多的安装将在 Azure 和 Google Cloud 等云服务器上运行。在云上托管代理允许开发人员快速启动、轻松管理和监控代理，并在需要连接更多设备时进行扩展。

当数据通过云时，安全性变得更加重要。开发者必须注意并正确配置和处理安全连接、认证、授权和加密，以维护数据的安全性和完整性。

MQTT于1999年开发用于将石油管道连接到 SCADA，并且一直用于工业环境。它是一种用于各种工业行业的通信协议。