什么是MQTT協議?

消息隊列遙測傳輸(MQTT)是一種輕量級消息傳遞協議，專為受限設備和低帶寬、高延遲或不可靠的網絡而設計。MQTT提供了一種簡單高效的遠程控制和監控方法，適用于各種物聯網(IoT)應用。

MQTT協議通過TCP/IP運行，并使用發布/訂閱模型。在此模型中，客戶端設備將其數據發送到代理。其他客戶端設備根據其訂閱的主題從代理接收數據。因此，MQTT允許以去中心化、解耦的方式在多個設備之間共享數據，從而促進物聯網網絡中的高效通信。

MQTT的關鍵方面之一是其簡單性。該協議只有少量命令，并使用簡單的二進制格式進行數據傳輸。這種簡單性使得MQTT能夠在從強大的服務器，到微型傳感器的各種設備上快速高效地實施。

MQTT協議的歷史和演變

MQTT協議最初由IBM和Arcom(現為Eurotech)于1999年設計，用于通過高延遲和低帶寬的衛星鏈路連接石油管道傳感器。主要目標是創建一個簡單、輕量級的協議，以便通過這些具有挑戰性的網絡有效傳輸遙測數據。

多年來，MQTT不斷得到改進和調整，以滿足物聯網應用不斷變化的需求。該協議因其簡單性、高效性和可擴展性而獲得了廣泛的接受。2013年，MQTT被結構化信息標準促進組織(OASIS)采納為開放標準，此后，MQTT被廣泛應用于汽車、能源、醫療保健和家庭自動化等各個行業。

如今，MQTT被認為是物聯網的關鍵支持技術之一。MQTT能夠處理來自數百萬臺設備的海量數據，且資源需求低，使其成為許多物聯網應用的理想選擇。

MQTT在物聯網用例中的優勢

低帶寬要求

在物聯網世界中，設備通常通過受限網絡進行通信，因此以最小帶寬傳輸數據的能力至關重要。MQTT因其緊湊的二進制消息格式和高效的發布/訂閱模型，而在這一領域表現出色。通過使用MQTT，物聯網設備可以緊湊、高效地傳輸數據，從而最大限度地減少帶寬使用并降低通信成本。

電池供電設備的高效用電

物聯網的主要挑戰之一是電源效率，特別是對于電池供電的設備。MQTT通過有效利用網絡資源來解決這一挑戰。通過使用持久的TCP連接和保持活動機制，MQTT最大限度地減少了網絡流量并降低了功耗。此功能使MQTT成為電池供電的物聯網設備的合適選擇，因為它可以幫助延長電池壽命。

易于實施和可擴展性

MQTT以其簡單性和易于實施而聞名。該協議只有幾個命令，其二進制消息格式易于解析。這種簡單性使得MQTT可以輕松地在各種設備上實施，從強大的服務器到微型物聯網傳感器。

此外，MQTT具有高度可擴展性。其發布/訂閱模型允許在大量設備之間高效地分發數據。此外，MQTT代理可以集群化來處理海量數據和數百萬客戶端，使MQTT成為大規模物聯網應用的理想選擇。

適合各種物聯網場景的服務質量水平

MQTT提供三個服務質量(QoS)級別，為消息傳遞提供不同的保證。此功能使MQTT適用于各種物聯網場景，從低優先級數據監控到關鍵控制應用。通過選擇適當的QoS級別，開發人員可以確保其物聯網應用滿足他們特定的可靠性和性能要求。

MQTT在物聯網中的局限性

需要持續可用的網絡連接

MQTT的主要限制之一是它依賴于持續可用的網絡連接。由于MQTT使用持久TCP連接進行通信，因此需要客戶端設備和代理之間有持續的網絡鏈接。在一些網絡連接斷斷續續或不可靠的物聯網場景中，這一要求可能具有挑戰性。

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、入侵檢測系統和安全編碼實踐，以確保基于MQTT的物聯網系統的安全。

對非文本數據類型的有限支持

MQTT的另一個限制是其對非文本數據類型的支持有限。MQTT消息是二進制的，并且該協議不包含任何用于編碼或解碼非文本數據類型的內置機制。因此，開發人員必須實現自己的數據序列化和反序列化方法，這會增加基于MQTT的物聯網應用的復雜性。

替代物聯網協議

CoAP

CoAP是一種計算機協議，應用于物聯網，設計用于受限環境，例如低功耗和有損網絡。它構建在用戶數據報協議(UDP)，而不是傳輸控制協議(TCP)之上，這使得它比MQTT更輕量級。

然而，作為基于UDP的協議，CoAP不能保證消息的可靠傳遞。雖然它確實具有用于確認消息接收的內置機制，但是它沒有MQTT的服務質量級別那么高的可靠性。此外，作為請求響應協議，CoAP不支持發布-訂閱模型，與MQTT相比，這可能會限制其可擴展性。

AMQP

高級消息隊列協議(AMQP)是一種功能強大的消息傳遞協議，它提供了一系列功能，例如消息定向、隊列、路由、可靠性和安全性。與MQTT和CoAP不同，AMQP并不是專門為物聯網用例設計的，但可以用于此類目的。

雖然AMQP比MQTT提供更多功能，但它也更復雜、更笨重，這對于資源有限的物聯網設備來說可能是一個缺點。然而，它對發布訂閱模型的支持及其強大的可靠性和安全功能，使其成為某些物聯網用例的合適選擇。

WebSockets

WebSockets是一種通過單個長期連接在客戶端和服務器之間，提供全雙工通信的協議。這使其成為實時通信用例的理想選擇。WebSockets并不是專門為物聯網設計的，但它可以與其他協議，例如MQTT結合使用，以實現物聯網設備的實時通信。

WebSockets的主要優點是它能夠提供實時通信。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

可擴展消息傳遞和狀態協議(XMPP)是主要用于即時消息傳遞和狀態信息的協議。它是一種靈活的協議，可以擴展以支持包括物聯網在內的廣泛應用。

雖然XMPP不如MQTT或CoAP輕量級，但它具有高度可擴展性，這使其成為不同物聯網用例的通用選擇。然而，與WebSocket一樣，XMPP不具有與MQTT相同級別的可靠性，并且實現起來可能更復雜。

MQTT是統治一切的物聯網協議嗎?

正如TCP/IP成為現代互聯網的基礎一樣，MQTT有潛力成為物聯網的標準協議。盡管存在一些限制，但MQTT的優勢簡單、輕量級和高效，使其特別適合物聯網應用的要求。

以下是MQTT能夠成為物聯網事實上標準的原因：

從頭開始專為物聯網設計：MQTT在設計時考慮了物聯網的限制和要求，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備上也能輕松實現。與適合物聯網使用但最初并非為其設計的協議相比，MQTT具有固有的優勢。

經過驗證的可擴展性：MQTT已證明其可擴展，以滿足大型物聯網系統需求的能力。憑借其高效的發布/訂閱模型和集群代理的能力，MQTT可以有效管理數百萬臺設備之間的通信，隨著連接的物聯網設備數量不斷增長，這是一個至關重要的要求。

服務質量級別：MQTT的服務質量(QoS)級別為消息傳遞保證提供了靈活的選項。從可以容忍偶爾丟失消息的遙測數據，到必須可靠傳遞的關鍵控制消息，MQTT的QoS級別可以滿足各種應用需求。

廣泛采用和社區支持：MQTT已在物聯網行業得到廣泛采用，并擁有強大的社區支持。這種采用和支持使MQTT成為可靠的選擇，因為開發人員可以依靠持續的協議開發、廣泛的庫和工具以及提供建議和解決問題的活躍社區。

與其他協議集成：雖然MQTT在物聯網設備通信中大出風頭，但它也可以與其他協議有效集成。例如，它可以通過WebSockets用于實時的基于瀏覽器的應用，從而提供了額外的靈活性。

當然，MQTT并不完美。它需要持久的網絡連接，其內置的安全功能是基本的，并且它本身并不支持非文本數據類型。然而，這些限制是可以減輕的。通過仔細的系統設計和現代網絡協議的使用，可以提高網絡的彈性。額外的安全措施可以保護MQTT通信，序列化/反序列化方法可以處理非文本數據。

總之，MQTT盡管有其局限性，但具有顯著的優勢和優勢，使其非常適合物聯網行業。它的設計、可擴展性、靈活性以及廣泛的采用和支持，使其成為統治一切的物聯網協議的有力競爭者，就像TCP/IP對互聯網的影響一樣。

然而，物聯網應用的多樣性意味著其他協議將繼續發揮重要作用。未來可能不屬于單一協議，而是屬于以MQTT為核心的協同工作的協議生態系統。