mqtt协议详解:了解mqtt协议这一篇就够了

2021-12-10 13:58:33 admin 117

什么是 MQTT?

MQTT作为一种工具,可以在各种规模的部署中连接多种类型的 IoT 设备。它最初始于 1999 年,用于石油和天然气管道通过远程卫星进行通信。

MQTT 运行在 TCP/IP 之上,是一种在发布者-订阅者通信模型上运行的网络协议。它足够轻巧,可用于各种物联网设备,但又足够强大,可以在不稳定的网络条件下工作。

为什么在物联网开发中使用MQTT?

由于其提供数据的节能方法,MQTT对于 CPU 功率或 RAM 有限的低功率设备很常见。

MQTT 5.0 小型系统部署示例

让我们看一个案例,我们需要使用基于 Python 的客户端来组织本地MQTT v5.0网络。我们将描述沿途的挑战、问题和利弊。我们将通过将其与 MQTT v3.1.1 网络进行比较来得出结论。


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描述

我们有一栋楼,里面有几个房间,里面有一个局域网(LAN)。一个房间包含三个独立设备(例如,活动独立传感器、照片相机传感器或音频传感器)。

主机设备位于 LAN 内部,并通过无线或电缆连接到路由器。它必须在一段时间内从独立设备提供数据收集(和处理)功能,并且必须将这些数据本地存储在数据库中。

对于当前范围,可以使用 SQLLite 数据库或更简单的替代方案。只有在收到来自活动传感器的消息后,照片相机传感器和音频传感器才必须激活。

目标

确保主机设备和独立设备之间的通信;并在主机端提供本地数据库部署和通信。

要求

  1. 从传感器到主机设备的所有消息都必须受到 MQTT 5.0 附加属性的约束(例如,传输到主题的消息的字节大小)。

  2. 来自主题的消息必须包含 MIME 类型,以便在主机端进行编码。

  3. 消息必须存储在本地的数据库实例中。

符号

独立设备:基于 x86 或 ARM(例如,Raspberry Pi),带有连接的传感器并可以访问本地网络。

主机设备:基于 x86 或 ARM 的(例如,Raspberry Pi)托管 MQTT 代理并处理来自独立设备的消息。

哪些客户端支持 MQTT 5.0 和 Python?

目前,我们有两个选项可以使用:paho-MQTTgMQTT。但是,这些选项没有内置的 MQTT 5.0 代理,因此不适合本地部署网络。有一个名为 Mosquitto 的代理的非 Python 实现,它支持 MQTT 5.0。

文档可以在这里找到。每个代理最多可支持 50 000 个设备。Mosquitto 有一个“飞行队列”,可以配置大小(典型设置:1000 条消息),因此即使在高负载条件下,例如每秒数千条消息或数千个连接的客户端,也不会丢失连接或消息。

基于 Python 的系统如何与 MQTT 5.0 配合使用

MQTT v5.0 协议的库和文档并不多,尤其是从 Python 开发人员的角度来看。当前唯一适用于 Python 的 v5.0 客户端是 gmqtt 和 paho-mqtt。

MQTT v5.0 本地网络的优缺点

优点

  1. 局域网内完全自主的设备交互。不需要像 GCP 或 AWS 这样的云提供商,也不需要本地物联网系统运行的 WAN 连接。

  2. 网络延迟和数据传输速度。传输速度仅取决于本地设备的硬件能力。LAN 环境中的设备部署可实现最小延迟。

  3. 与竞争对手相比,MQTT 的能源效率。

  4. 网络安全。由于本地网络未暴露于 WAN,因此本地网络外部的实体无法捕获或跟踪带有消息的数据包。MQTT v5.0 协议提供服务器对客户端和客户端对服务器的身份验证。MQTT 还可以使用 TLS 证书进行安全连接和数据传输。

  5. 数据包限制可以应用于网络内部的代理。

  6. 容器化。更简单的容器化使模拟和调试变得更加容易。

缺点

  1. 必须事先完成用于接收消息和并行工作的进程和线程管理。处理消息的线程应该被并行化和正确管理,以便您的设备正常运行。

  2. 广域网连接。开发人员必须定期调试和排除故障,并且必须首先组织主机和独立设备之间的正确连接,通常使用安全的 SSH 连接。

  3. 不支持使用 MQTT 协议进行流传输。如果您的组织需要,请查看其他协议。

  4. MQTT 上不可用的大文件传输。考虑存储桶上传或 HTTP 协议。

  5. 经纪人无法智能地管理数据。但是,数据可以在断开连接期间存储有限的时间。

MQTT v3.1.1 和 v5.0 之间的主要实际差异

  • 用于存储附加数据的属性

  • 负载格式指示符(字节、UTF-8 或 UTF-8 字符串对)

  • 请求/响应模式

  • 客户端连接和断开的原因代码

  • 会话过期和控制

升级后的协议版本允许简化数据负载处理和解析。它带来了对消息、连接和会话进行分离和精确控制的能力。它允许通过属性传输额外的数据,这可能会导致创建更复杂的物联网解决方案。

MQTT 5 挑战

  • 用于在独立设备上并行发布和侦听消息的进程/线程管理。在生产环境中需要注意。

  • 可用的文档有限,并且包(paho-mqtt)内部类的实现过程并不明显。

  • 由于缺乏文档,代理的安装和升级到 MQTT v5.0 很困难。

  • 要识别网络中的设备,我们需要将 IP 发现器添加到系统中。

大改进

如果您有一个中央设备可以托管消息代理以在设备和/或主机之间进行通信,则 MQTT v5.0 是本地 IoT 设备通信的合适选项。尽管有其缺点(其中大部分在 MQTT v5.0 中已消除),但该协议可用于中小型物联网设备网络之间的通信


标签: MQTT
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