MQTT協議在物聯網中的應用研究

龔永罡 付俊英 汪昕宇 王蘊琪 高 爽

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

1 引言

通信對于物聯網來說是非常常見和至關重要的，不管是移動通信技術還是近距離無線傳輸技術，都會對物聯網的發展產生影響。而在通信中，通信協議是指雙方實體完成通信或服務必須遵循的規則和約定，顯得尤為重要。在物聯網的三層體系結構中，感知層和應用層需要通過網絡層進行通信，目前TCP/IP已經成為互聯網的事實標準，物聯網通信協議主要是運行在互聯網TCP/IP協議之上的設備通訊協議，負責設備通過互聯網進行通信和數據交換。由于HTTP協議開發成本低，開放性高；在構建物聯網系統時，很多廠商都基于HTTP協議進行開發。但在資源緊缺型的嵌入式系統中或網絡帶寬非常昂貴的環境中，HTTP協議并不適用。MQTT協議具有低功耗、開放、簡單、輕量級以及易于實現的特點，使其即便是在資源有限的環境中也能易于使用，廣泛應用于遙感、智能家居、能源監測和醫療應用等領域，是物聯網的重要組成部分。

本文討論并通過實驗對比了HTTP協議和MQTT協議在智能家居領域的應用，測試結果表明MQTT在降低功耗和推送功能開發上優勢明顯。

2 物聯網通信協議概述

目前在物聯網領域中，可以采用的消息傳輸方案主要有以下幾種：HTTP協議、Ajax輪詢、Websocket、MQTT和Co-AP協議，以下對HTTP和MQTT做一下介紹。

2.1 HTTP協議

HTTP協議的特點是簡捷、快速，適用于分布式超媒體信息系統，是一個基于請求和響應模式的應用層協議。它承載于TCP協議之上，通過客戶端建立TCP連接，向服務器指定端口（默認端口80）發出HTTP請求，服務器接收到請求后返回一個響應消息。HTTP協議包含傳輸信息和命令，適用于內聯網／因特網應用系統之間的通信來促成各種應用資源超媒體訪問集成，也可用于Web訪問。目前流行的AJAX、WebSocket和CoAP協議，本質上都是在HTTP基礎封裝的，沒有改變HTTP基礎的特點。由于HTTP協議開放程度高，開發成本低，所以在構建物聯網系統時，很多廠商都是基于HTTP協議進行開發的。

2.2MQTT協議

2.2.1 MQTT協議分析

由Arcom（現在的Eurotech）和IBM公司開發的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協議是一種輕量級基于發布/訂閱模式的消息傳輸協議。MQTT協議在計算方面受到了限制，適用于不可靠的網絡設備和低帶寬所設計的協議。它的特點是小型傳輸、功耗小、網絡流量低，并有效分配與傳輸最小數據包；MQTT協議可用于移動系統應用，是物聯網重要的通信協議之一。

2.2.2 MQTT協議的數據表示

MQTT消息體主要分為三部分：有效載荷，固定報頭和可變報頭。每個命令消息都必須包括固定報頭部分，固定報頭為2個字節，其格式如表1所示。

表1MQTT固定報頭格式表

其中Message Type為消息類型，大約有14種；Qos level為服務質量，有3種等級，分別為Qos0、Qos1、Qos2，等級越高，產生的系統開銷就會越多，因此對通信效率產生的影響也就越大；Remaining Length是指除固定報頭之外的消息長度，包括有效載荷部分和可變頭部，最大可擴展為4 bytes，最大長度可以為256M。

2.2.3 MQTT的控制數據包的格式

MQTT協議簡單，傳輸量小，成本少，可最小化協議交換，大大降低網絡流量，且固定報頭只有2 bytes。它采用的消息模式為發布/訂閱及一對多的消息發布模式，解除了對負載內容屏蔽及應用程序耦合的消息傳輸?；赥CP上的應用層協議MQTT，支持基于TLS／SSL加密通道的傳輸。且MQTT在進行connect時支持認證。此外，MQTT還有3種不同的消息發布服務質量，分別為：

“至多一次”：消息發布完全依賴底層TCP/IP網絡，會出現消息丟失或重復的現象。

“至少一次”：確保消息抵達，但可能會發生消息重復的現象。

“只有一次”：確保消息抵達一次，可以用在計費系統中，可能會發生消息重復或因為丟失數據而導致產生不正確結果的現象。

功耗、流量及傳輸這幾個特性對于移動終端應用是必需要涉及到的地方。對于MQTT協議而言，在滿足即時消息的基本需求情況下，同時在功耗、流量、傳輸上的問題也得到了解決。首先MQTT的固定長度只有2 bytes，其流量消耗十分小。其次，因為MQTT協議本身很簡單，再加上頭部簡小，因此解析成本低，功耗也就比較小。另外MQTT非常容易擴展，便于用戶的再次開發。以上內容可以總結出，MQTT協議更適用于移動終端，因此本文采取了基于MQTT協議的解決方案。

圖1MQTT運行框架

3MQTT協議在智能家居中的應用

本文以智能廚房油煙機控制系統與應用端進行通信為例進行應用分析。

3.1MQTT通信協議

MQTT的信息發布是基于話題的。只需要在發布的時候指定某個話題，并不需要配置相關的話題。

MQTT協議定義了發布服務器和客戶端兩個對象，如圖1所示。作為整個通信系統網絡核心的發布服務器，可以連接多個客戶端。而框架中信息的產生者和接收者則為客戶端。

（1）服務器接受的信息是客戶端通過subscribe發布的；

（2）發布服務器上的某個話題信息是某個客戶端通過publish發布的；

（3）發布服務器再將這個信息轉發到對這個話題感興趣的客戶端。

圖2 系統總體通信

3.2 智能廚房油煙機控制系統及應用端與MQTT之間的通信

智能廚房油煙機系統包括了四個部分：基于Open WRT系統的無線路由器，手機控制端，基于樹莓派的網關和智能油煙機設備。如圖2所示為系統的總體通信圖。

從圖2可知，（1）手機通信模塊提供了與系統服務端交互的功能，采用TLS-PSK安全協議保證數據傳輸的安全性。（2）MQTT發布服務端：整個系統的MQTT通信發布服務端為Mosquitto，Mosquitto管理和轉發所有的MQTT報文，同時負責TLS-PSK框架配置和管理，還提供用基本的訪問權限控制和用戶認證功能。（3）MQTT客戶端模塊：手機控制端和網關與Open WRT系統上的信息處理模塊的通信功能是由MQTT客戶端模塊提供的。MQTT客戶端模塊從網關接收設備狀態信息，并將信息推送到手機控制終端。另外，手機控制端發布的控制命令也是由它負責接收的，且在命令被處理完成后再推送給網關。

4 HTTP和MQTT協議通信效率對比測試

我們搭建了實驗環境，對HTTP和MQTT協議在物聯網應用中的通信效率進行了對比測試，在智能廚房油煙機中，進行測試時分別采用MQTT協議的實現與HTTP協議的實現，抓取數據包和分析數據包時采用sniffer。MQTT協議和HTTP協議的響應時間、吞吐量、消耗流量如表2所示。

MQTT測試環境：1個智能油煙機客戶端，阿里IOT云服務器（提供MQTT服務），wifi網絡環境。

HTTP測試環境：1個智能油煙機客戶端，Ayla IOT云服務器（提供REST服務），wifi網絡環境。

測試采樣10000條，獲取的通信響應和吞吐量指標響應如表2所示：

表2 測試結果

10000次采樣測試結果表明，在平均響應時間上MQTT為4ms，而HTTP為13ms，在吞吐量指標上，單位時間MQTT比HTTP要大，因此，可以得出結論，同樣的環境中，MQTT在通信效率上有明顯的優勢。

5HTTP和MQTT消息推送方案分析

隨著移動互聯網和智能終端的普及，在物聯網應用中，對在手機類移動終端設備上獲取信息提出了更高的要求，主要體現在時限性和移動性兩個方面。時限性要求把信息在規定的時間內發送到移動終端設備；移動性要求在信息傳輸時保持低功耗，低速率。不管是IOS還是Android，如果采用“拉取”的推送方式，在程序中信息的更新通知需要持續的檢查，獲取消息時需給服務器發送拉取請求[1]，更新的信息無法直接通過服務器被主動發送給用戶，這就增加了交互的次數和負擔，同時也增加了移動端的資源開銷，而推送方式縮短反應時間，提高效率，第一時間把更新信息推送給移動端[2,3]。目前在Android和IOS平臺上都有自己的推送系統，但在網絡中，操作系統和開發方面會受到各方面的限制，同一款應用在這個功能上需要采用不同的技術方案，有很大的局限性。比如Android推送無法直接使用Google的云消息服務器，只能采用國內的代理推送服務器，而iphoneAPNS只適用于IOS，不能跨平臺推送，使用MQTT可以避免上述問題，節省了開發人員寶貴的開發時間。

通過對目前Android平臺上最主流的幾種消息推送方案的分析和對比，可以清楚地了解到MATT協議是最快速，也最省流量的（固定頭長度僅為2個字節），在IOS和Android平臺上進行推送功能開發具有一致性，且極易擴展，適合二次開發。所以本文推薦使用MQTT協議的方案進行實現。

6 結語

本文詳細剖析了用于物聯網通信的HTTP協議和MQTT協議，并從功耗和消息推送功能開發效率兩方面進行了比對，實踐證明基于TCP/IP之上的HTTP協議不適合資源緊缺型的嵌入式系統或網絡帶寬非常昂貴的環境，另外HTTP協議開發消息推送功能非常繁瑣，而MQTT協議具有低功耗、開放、簡單、輕量級以及易于實現的特點，在資源受限的環境中也能得到很好的使用，更適合用于物聯網領域的通信，在降低功耗和推送功能開發上具有非常明顯的優勢。

[1]劉軍霞，熊選東，付建丹．基于發布/訂閱的推模式服務調用[J]．計算機系統應用，2012(12)：196-199．

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[3]梅蕊．跨服務器消息發布與推送機制的研究[D]．武漢:華中科技大學，2011．

[4]崔健，段振剛，齊志男，等．基于物聯網云平臺的壁掛爐遠程控制系統[J]．計算機系統應用，2015，24(9)：56-60．

[5]徐汶東．基于無線通信的智能油煙機控制系統設計[J]．ICSSS，2015：421-425．

[6]任亨．基于MQT T協議的消息推送服務器[J]．計算機系統應用，2014，23(3)：77–82．