譯者 | 李睿

審校 | 孫淑娟

人類在互聯(lián)網(wǎng)和計算機上創(chuàng)建的數(shù)據(jù)并不總是準確的，人類打字、掃描、拍照或錄音也并不總是可靠的。但是，如果機器上有傳感器收集數(shù)據(jù)并能夠與其他機器通信呢？如果有某種協(xié)議可以使醫(yī)療和個人設備、電器和其他電子設備相互發(fā)送和接收數(shù)據(jù)呢？

例如，這樣的系統(tǒng)意味著人們可以準確地跟蹤他們庫存中的物品。或者他們商店中需要更換、補充或修理的零件或項目。由于設備中的傳感器收集數(shù)據(jù)，這意味著數(shù)據(jù)更準確、更可靠。

隨著第四次工業(yè)革命的到來，這個系統(tǒng)成為可能。它帶來了物聯(lián)網(wǎng)、機器人、人工智能和其他新興的顛覆性技術。

一、MQTT概述

智能電視、智能手表和其他可以相互發(fā)送和接收信息的“智能”設備和小工具現(xiàn)在與網(wǎng)站上的Cookie一樣常見。這些可以通過傳感器收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到其他設備的智能設備稱為物聯(lián)網(wǎng)設備。

物聯(lián)網(wǎng)設備如何做到這一點？它們相互通信的能力是通過一種稱為消息隊列遙測傳輸(MQTT)的消息傳遞技術實現(xiàn)的。它是一個基于IP的輕量級消息傳遞系統(tǒng)，為物聯(lián)網(wǎng)提供支持。它使控制器、傳感器和其他小工具或設備能夠相互“交談”。此外，它還支持并不總是在線的設備，例如配備微控制器的自動化設備。

MQTT消息傳遞協(xié)議由IBM公司的Andy Clark和Eurotech公司的Arlen Nipper于1999年創(chuàng)建。它最初是主要用于石油和天然氣行業(yè)的專有協(xié)議，后來成為一個開源協(xié)議。MQTT設計用于在低帶寬網(wǎng)絡中工作。這一特性非常適合數(shù)字足跡較小的機器對機器通信和物聯(lián)網(wǎng)設備。它不僅適用于低帶寬網(wǎng)絡，也適用于高延遲環(huán)境。

MQTT用于制造業(yè)、衛(wèi)生、電信、汽車等其他行業(yè)。它現(xiàn)在被公認為物聯(lián)網(wǎng)消息傳遞的標準。該消息系統(tǒng)采用發(fā)布者/訂閱者原則，使用MQTT服務器進行操作。發(fā)送者和接收者都不需要直接相互連接。

源數(shù)據(jù)由訂閱接收此類數(shù)據(jù)的客戶端發(fā)布和接收。發(fā)布者和訂閱者的關系是這樣的：

• 發(fā)布者（數(shù)據(jù)源）在主題上傳輸數(shù)據(jù)或消息。
• 客戶端訂閱主題以接收消息。
• 服務器將發(fā)布者與訂閱者匹配。
• 如果未找到匹配項，則丟棄該消息。

這種安排類似于廣播或電視廣播——只能查看您所調到的頻道的傳輸。在MQTT中，數(shù)據(jù)源“發(fā)布”數(shù)據(jù)，接收者獲取數(shù)據(jù)，因為他們是注冊訂閱者。

二、MQTT架構及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

MQTT旨在成為輕量級設備的簡單發(fā)布/訂閱協(xié)議，由兩個主要組件組成：代理/服務器和客戶端。

1.MQTT代理/服務器

運行從數(shù)據(jù)源或發(fā)布者接收消息的軟件的計算機稱為代理或服務器。然后，服務器/代理將數(shù)據(jù)從源發(fā)送到其正確的目的地，即訂閱者。該軟件可以使用專有或開源軟件、現(xiàn)場臺式電腦或Raspberry Pi安裝在基于云的代理/服務器上。但是，如果正在處理可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制的物聯(lián)網(wǎng)項目，則使用基于云的服務器更合適。

服務器可以管理多達數(shù)千個同時連接的MQTT客戶端，具體取決于實現(xiàn)。因此，在選擇MQTT服務器時，可擴展性和集成性是必不可少的考慮因素。除了接收和發(fā)送消息之外，服務器還具有其他能力，例如：

• 安全

需要保護MQTT。它應該要求其客戶提供強大的用戶名和密碼。此外，傳輸控制協(xié)議連接應使用安全套接字層(SSL)和傳輸層安全性(TLS)進行加密。這些安全措施應確保消息在傳輸過程中的安全性和隱私性。

• 服務質量(QoS)級別

服務質量(QoS)級別是消息源和預期接收者之間的協(xié)議。該協(xié)議定義了特定消息的傳遞保證。MQ遙測傳輸中有三個級別的服務質量(QoS)：

（1）最多一次(0)

在這一級別，無法保證交付。這個級別最多保證的是“盡力而為”的交付。該消息既不存儲也不重新發(fā)送，并且收件人不發(fā)送接收確認。當互聯(lián)網(wǎng)可靠且需要快速交付數(shù)據(jù)時，使用這一服務質量級別。

（2）至少一次(1)

保證消息至少傳遞給訂閱者一次。發(fā)布者存儲消息，直到接收者發(fā)送接收確認。

服務器還確認發(fā)布者發(fā)送的消息，讓客戶端知道消息已收到。如果客戶端沒有收到確認，消息將再次發(fā)送。

確認告訴訂閱者客戶端所有與客戶端訂閱的主題有關的消息都已發(fā)布。雖然在這一級別可以保證收到消息，但如果沒有按時收到回執(zhí)，則可能會出現(xiàn)重復消息。

如果客戶端需要接收訂閱主題的所有消息，則使用級別2。但是，許多商業(yè)服務器不支持級別2，因為它相對較慢且占用資源。

（3）恰好一次(2)

級別2是消息隊列遙測傳輸（MQTT）中的最高服務質量級別。每條消息都保證被訂閱者接收一次。它也是三個服務質量(QoS)級別中最安全但最慢的一個。雖然級別1可能導致消息重復，但級別2保證只接收一次數(shù)據(jù)。 

這一保證由發(fā)布者和訂閱者之間的兩個（至少兩個）“請求和響應”流提供，這表明消息已被接收。一旦訂閱者確認收到消息，發(fā)布者就可以丟棄數(shù)據(jù)包。如果發(fā)布者沒有收到來自訂閱者的“收到消息”信號，則消息將繼續(xù)發(fā)送，直到消息被確認。

高QoS級別更可靠，但涉及高帶寬要求和更高延遲，這會減慢數(shù)據(jù)傳輸速度。當不需要快速消息傳遞并且重復消息可能導致問題時，使用這一級別。

就QoS而言，消息傳遞有兩個方面：從發(fā)布者到服務器以及從服務器到訂閱者。每次將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器時，數(shù)據(jù)或消息的來源/發(fā)布者都會設置數(shù)據(jù)的QoS級別。然后，服務器根據(jù)客戶端的QoS級別（在訂閱過程開始時設置）將數(shù)據(jù)發(fā)送到訂閱者客戶端。如果客戶端的QoS設置低于發(fā)布客戶端，則服務器將發(fā)送QoS較低的數(shù)據(jù)。

這一特性允許MQTT提供附加的消息傳遞服務質量，確保根據(jù)客戶端的要求發(fā)送數(shù)據(jù)。

• 存儲和轉發(fā)

即使訂閱者客戶端無法接收消息，某些MQTT消息也可以存儲并轉發(fā)給訂閱者。這些消息稱為客戶端可以訂閱的“存儲和轉發(fā)主題”。當訂閱者可以接收消息時，訂閱了存儲和轉發(fā)功能的客戶端可以接收存儲的數(shù)據(jù)。

要使這一功能有效運行，MQTT服務器需要執(zhí)行以下操作：

（1）跟蹤每個訂閱者的客戶ID。

（2）跟蹤成功發(fā)送到每個客戶端的最后一條消息的標識符。

MQTT代理會自動刪除過期消息，除非配置保留它們。代理存儲配置的主題，以防將來的客戶訂閱它們。然后，這些消息將按照最初接收消息的順序傳遞給訂閱者。

2.MQTT客戶端

MQTT客戶端可以是發(fā)布者和訂閱者。標簽“發(fā)布者”和“訂閱者”指的是發(fā)布消息或訂閱接收消息的客戶端。在MQTT中，發(fā)布/訂閱功能可以在同一個客戶端中實現(xiàn)。客戶端可以在通信階段執(zhí)行不同的功能，如訂閱、取消訂閱、發(fā)布、連接和斷開連接。

此外，這些客戶端可以是任何設備或應用程序，從臺式電腦到配備各種完全承諾的基于云的代理/服務器。客戶端可以是具有最小庫和有限資源的緊湊型設備，并使用無線網(wǎng)絡連接。

可以這么說，任何能夠通過TCP/IP堆棧運行MQTT的設備都可以成為客戶端。MQTT的實現(xiàn)是簡化和直接的，這些特性使MQTT非常適合使用最少資源的小型設備。

三、結論

MQTT是一種使智能家電、智能小工具和其他物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備“對話”并與其他機器或系統(tǒng)共享信息的技術。這種消息傳遞技術使智能手機、冰箱、可穿戴設備、恒溫器、遠程傳感器和其他智能小工具相互交換數(shù)據(jù)。

MQTT中的數(shù)據(jù)流在服務器/代理的幫助下通過簡單的發(fā)布者/訂閱者系統(tǒng)工作。發(fā)布者通過服務器傳輸有關主題的數(shù)據(jù)；然后，服務器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嗛喸撝黝}的客戶端。

原文鏈接：https://www.smartdatacollective.com/how-data-flow-works-in-mq-telemetry-transport-mqtt/