Предисловие

Я говорил о том, как Android управляет оборудованием через последовательную связь, но в большинстве реальных бизнес-сценариев аппаратным обеспечением можно управлять на экране или удаленно. В этом случае для выполнения этой работы необходим протокол MQTT. В этой статье будет представлен протокол MQTT и его применение в связи с устройствами Интернета вещей.

1. Первое знакомство с MQTT

1. Что такое протокол MQTT

MQTT — это облегченный протокол обмена сообщениями, полное название которого — Message Queuing Telemetry Transport. Это протокол, основанный на модели публикации-подписки, который обеспечивает передачу сообщений и связь между устройствами в распределенной системе.

2. Зачем использовать MQTT?

Это очень легкий бинарный протокол.,и из-за минимальных накладных расходов на пакеты,MQTT превосходно передает данные по сети по сравнению с такими протоколами, как HTTP.。Долженпротокол Еще один важный аспект MQTT Очень легко реализовать на стороне клиента. Простота использования MQTT Ключевой вопрос в разработке, делающий его идеальным для современных ограниченных устройств с ограниченными ресурсами.

3. Предыстория рождения MQTT

• 1999 Год: Энди Stanfork-Clark (IBM) и Arlen Nipper выпускать MQTT протокол, для подключения систем телеметрии нефтепровода через спутник, MQTT в TT (Telemetry Transport) Он получен из такой системы телеметрии;
• 2010 Год: МКТТ протоколбесплатновыпускать；
• 2014 Год: МКТТ протокол официально OASIS Стандартный, после многих лет разработки, MQTT протокол стал интернетом (IoT) Один из основных протоколов.

В настоящее время MQTT в основном разделен на две основные версии:

• MQTT v3： в v3.1.1 В настоящее время это версия с наибольшим количеством устройств доступа;
• MQTT v5： 2018 Год выпуска, подключено несколько устройств.

4. Основные требования MQTT

• Простая реализация
• Качество обслуживанияпередача данных
• Легкий вес и эффективная полоса пропускания
• агностик данных
• постоянная разговорная осведомленность

5. Модель публикации/подписки MQTT

Модель выпуска/подписки MQTT (также известная как выпуск/подписка) представляет собой альтернативу традиционной архитектуре клиент-сервер. В модели клиент-сервер,клиентпрямойи Конечная точка связи。выпускать/Модель подписки будетКлиент, отправляющий сообщение (издатель), отделен от клиента, получающего сообщение (подписчик).。выпускать ВОЗи订阅ВОЗ从不прямой联系对方。фактически,Они даже не знают, что друг друга существуют。Соединение между ними осуществляется третьим компонентом (прокси).。代理из工作是过滤所有传入из消息并将它们正确分发给订阅ВОЗ。

Наиболее важным аспектом pub/sub является разделение издателей сообщений и получателей (подписчиков). У такого разделения есть несколько аспектов:

• пространственная развязка：выпускать ВОЗи订阅ВОЗ不需要相互了解（Например,Обмен не требуется IP адрес и порт).
• временное разделение：выпускать ВОЗи订阅ВОЗ不需要同时运行。
• Синхронная развязка：Работа двух компонентов находится ввыпускатьили Во время приема не требуется прерывание。

Подводя итог, можно сказать, что модель публикации/подписки MQTT исключает прямое общение между издателями сообщений и получателями/подписчиками. Фильтрующая деятельность брокера может контролировать, какой клиент/подписчик какое сообщение получит. Развязка имеет три измерения: пространство, время и синхронизация.

6. Масштабируемость

pub/sub масштабируется лучше, чем традиционная модель клиент/сервер, благодаря высокой степени параллелизма брокера и модели, управляемой событиями. Масштабируемость также отражается на кэшировании сообщений и интеллектуальной маршрутизации сообщений, которые также могут быть реализованы через кластерные прокси, а балансировщики нагрузки могут использоваться для распределения нагрузки на большее количество отдельных серверов.

7. Фильтрация сообщений

• Фильтрация по темам Эта фильтрация основана на темах, принадлежащих каждому сообщению. Прием клиента Подписка на агента по интересующим темам,После подписки,broker гарантирует, что клиент получит выпуск topic в Новости.
• Фильтрация на основе контента. При фильтрации на основе контента брокер Сообщения будут фильтроваться по конкретному контенту.,Получатели будут отфильтрованы, чтобы найти контент, который их интересует. Существенным недостатком такого подхода является то, что содержание сообщения должно быть известно заранее.,Невозможно зашифроватьили ВОЗ轻易修改。
• Фильтрация на основе типов При работе с объектно-ориентированными языками фильтрация на основе типа/класса сообщения (события) является обычной практикой. Например, подписчик может прослушивать все сообщения типа Exception или любого подтипа.

**Публикация/подписка не является решением для всех случаев использования. Прежде чем использовать эту модель, необходимо учитывать несколько вещей. **Разделение издателей и подписчиков является ключом к публикации/подписке, что также создает свои проблемы. Например, вам необходимо заранее знать структуру публикуемых данных. Для фильтрации по темам и издатель, и подписчик должны знать, какие темы использовать. Еще одна вещь, о которой следует помнить, — это обмен сообщениями. Издатели не могут предполагать, что кто-то прослушивает отправляемое сообщение. В некоторых случаях подписчики могут не читать конкретное сообщение.

8. Основные характеристики

• MQTT Пространственно развязанные выпуски и абоненты. Хотите производить или получать сообщения,выпуск и Абонентам необходимо знать только имя хоста/IP прокси. и порт.
• MQTT в соответствии свременное отличие. Хотя большинство MQTT Варианты использования для доставки сообщений практически в реальном времени,но если необходимо,Агенты могут быть офлайнклиент Сохранить сообщение。（必须满足两个条件才能Сохранить сообщение：клиент Подключился к постоянному сеансу и подписалсяКачество обслуживания大В 0 тема).
• MQTT Работайте асинхронно. Поскольку большинство клиентских библиотек работают асинхронно и основаны на обратных вызовах или аналогичных моделях, задачи не блокируются во время ожидания сообщений или выпуска сообщений. В некоторых случаях синхронизация желательна и возможна. Для того, чтобы дождаться определенного сообщения, в некоторых библиотеках предусмотрена синхронизация. API. Но процесс обычно асинхронный.

два、Процесс связи MQTT

1. Подключитесь к MQTT-серверу.

Первым шагом в установлении связи с использованием протокола MQTT является подключение к серверу MQTT. Клиенту MQTT необходимо предоставить IP-адрес и номер порта сервера MQTT, чтобы установить TCP-соединение с сервером. После успешного установления соединения клиент отправит запрос на соединение (пакет подключения) на сервер MQTT, а сервер ответит запросом на подтверждение.

2. Опубликуйте тему

Издатель публикует сообщения по определенным темам. В MQTT тема — это идентификатор сообщения. Темой может быть любая допустимая строка UTF-8, которая может содержать несколько иерархий (например, /sensors/temperature). Когда издатель отправляет сообщение в тему, сервер пересылает сообщение всем подписчикам темы.

3. Подпишитесь на темы

Подписчики могут подписаться на интересующие темы. В MQTT подписчики могут подписаться на все дерево тем или только на определенные темы. Когда подписчик подписывается на тему, сервер записывает информацию о его подписке и добавляет ее в список подписок.

4. Получайте сообщения

Как только подписчик подписывается на тему, сервер пересылает подписчику все сообщения, опубликованные в этой теме. Когда подписчик получит сообщение, он выполнит соответствующее действие, например обновит статус устройства или отправит команды другим устройствам.

5. Отключиться

После использования протокола MQTT клиент должен отключиться от сервера MQTT. Клиент MQTT отправит запрос на отключение (пакет отключения) на сервер MQTT, а сервер ответит на запрос подтверждения и отключится.

3. Часто используемые термины MQTT

1. Broker：MQTTпромежуточное программное обеспечение,Отвечает за прием и пересылку сообщений.
2. Client：MQTTизклиент,может бытьвыпускать ВОЗили订阅ВОЗ。
3. Topic：MQTTиз消息主题,用В识别消息из内容и目из地。Формат: «мой дом/гостиная/температура» или «Германия/Мюнхен/Октоберфест/люди»
4. QoS（Quality of Service）：MQTT消息из Качество обслуживания, разделенного на три уровня: QoS 0,QoS 1иQoS 2。
5. Retain：MQTT消息из保留标志,Указывает, нужно ли сохранять последние сообщения по этой теме.
6. Last Will and Testament（LWT）：MQTTклиентиз遗嘱消息,Используется для уведомления другого клиента, когда клиент находится в автономном режиме.
7. Clean Session：MQTTклиент连接时из清理会话标志,Используется, чтобы указать, сохраняет ли промежуточное программное обеспечение информацию о подписке клиента.

4. Резюме

Преимущества протокола MQTT

1. Простой и легкий：MQTTпротокол Очень Простой и Легкий, подходит для небольших устройств и сред с ограниченной пропускной способностью.
2. надежный：MQTTпротокол Имеет несколько механизмов гарантии доставки сообщений.,Например уровень QoS,Это обеспечивает плавную доставку сообщений на целевое устройство.
3. гибкость：MQTTпротокол具有灵活из主题订阅机制,Позволяет клиенту подписываться на темы разных уровней.
4. Масштабируемость：MQTTпротокол Поддержка несколькихклиент Подключитесь к одномусервер,И может масштабироваться для поддержки миллионов устройств.

Недостатки протокола MQTT:

• безопасность：MQTTпротокол Шифрование как таковое не предусмотрено.и Механизм аутентификации。Если требуется защищенная связь,Вам необходимо использовать другие методы, такие как TLS/SSL.
• надежный, сексуально ограниченный：MQTT提供了不同из Качество обслуживания（QoS）уровень,Однако самый высокий уровень QoS не может гарантировать 100% доставку сообщений. В нестабильной сетевой среде,Сообщения могут быть потеряны или доставлены повторно.,Приложение должно справиться с этим само.
• Применимые сценарии ограничены：MQTT适用В传递简单из消息,但不适用В传递大量из数据или复杂из消息。Когда требуется сложная обработка сообщенийи转换из场景中,Может потребоваться использование более сложных методов обмена сообщениями.,Например, очередь сообщений.
• Производительность ограничена：MQTT是一种轻量级изпротокол,Но в среде с высоким уровнем параллелизма и крупномасштабного обмена сообщениями,Могут возникнуть узкие места в производительности. также,При использовании более высоких уровней QoS,Может привести к увеличению сетевого трафика и задержкам.,Тем самым влияя на производительность системы.
• Ограниченная масштабируемость：MQTT本身不提供扩展性из支持,Для достижения распределенного обмена сообщениями и масштабируемости необходимы дополнительные технологии.

Сравнение других протоколов MQTT:

По сравнению с другими протоколами связи MQTT имеет определенные преимущества:

1. Контраст с HTTP：HTTPэто запрос/响应模型из通信протокол,Подходит для просмотра веб-страниц и других сценариев. По сравнению с HTTP,MQTT более легкий,Подходит для низкой пропускной способности и нестабильных сетевых сред. в то же время,MQTT основан на модели выпуска/подписки.,Поддержка передачи данных в реальном времени,HTTP требует опроса для получения данных,Производительность в реальном времени низкая.
2. Сравнение с WebSocket：WebSocketЭто двустороннее общениепротокол,Подходит для веб-приложений реального времени. иWebSocketComparison,Протокол MQTT имеет более высокие преимущества в производительности в сценариях с низкой пропускной способностью и низким энергопотреблением. также,Протокол MQTT, встроенная очередь сообщений и QoS (Quality of Service).,Качество обслуживания) механизм, обеспечивающий надежную передачу сообщений.
3. Сравнение с Ко АП：CoAP（Constrained Application Protocol,Протокол ограниченного приложения) — еще один тип протокола связи IoT.,В основном ориентирован на устройства с ограниченными ресурсами. По сравнению с Ко АП,Протокол MQTT имеет лучшую производительность в средах с низкой пропускной способностью. Однако,Протокол CoAP основан на UDP.,具有较低из传输延迟。два ВОЗ之间из选择取决В具体应用场景инуждаться。

Справочные ссылки:

www.hivemq.com/mqtt-essent…