基于MQTT的分布式多任務星載應用消息交互方案

摘要：隨著互聯網+低軌衛星的到來，傳統衛星由于在軌處理弱、通信機制單一、載荷及應用數據交互復雜等不能滿足未來衛星的功能需求，因此，實現數據快速交互共享、數據實時處理、載荷及應用通信服務接口統一等已成為新的挑戰。文章提出了基于MQTT通信協議的數據交互系統方案，實現了多個任務應用及各類載荷的通信和消息共享；應用交互功能服務開發簡便、靈活，可快速將并發載荷及應用接入平臺。該方案提供了統一通信交互接口，不僅可以實現消息的可靠傳輸，而且降低了應用程序及載荷的耦合程度，易于后續功能的開發、迭代升級、應用部署。

關鍵詞：MQTT協議；數據交互；載荷；星載應用

中圖分類號：TP319文獻標志碼：Ａ

0 引言

隨著科技的發展以及多任務功能的要求，衛星海量數據接入對數據實時響應處理的要求越來越高，以往的數據交互模式和應用服務已經愈發不能滿足衛星的深度發展需要。多邊通信、數據共享處理以及并發載荷設備快速接入方式等成為衛星數據交互面臨的新挑戰。

目前，單顆衛星的業務功能越來越復雜，系統中單一的數據交互處理模式不能完全滿足需求。多邊數據交互模式和一對多的交互模式將會更大限度地滿足不同復雜業務功能的需求，從而提升了整個數據交互系統的可擴展性以及不同載荷與應用之間的可重用性。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸通信協議，針對不同主題以發布/訂閱的形式實現各應用之間的消息交互［1］。MQTT可以對有限的帶寬、有限的計算能力和不穩定的網絡環境進行有針對性的優化；在現實中實現可靠的數據推送和消息傳輸，有效降低流量和功耗［2］。其中，數據推送是一種新的數據交互方法，主要是為方便快捷地獲取數據而設計的。數據推送方法打破了以往的數據傳輸請求和響應方式，不僅可以顯著減少對網絡傳輸帶寬的需求依賴，而且還可緩解系統數據處理的壓力［3-4］。

本文設計了基于MQTT的衛星多任務消息交互的星載應用方案，通過MQTT協議使得星載應用環境中各種載荷的數據快速高效采集、存儲、交互、轉發；各種功能應用及時獲取數據、處理數據，進而實現了數據的大規模實時可靠的消息傳輸、共享、處理和存儲。進一步有效地利用數據和設備資源，可以更好地滿足衛星應用對數據處理的需求。

1 MQTT協議

MQTT是一種“輕量級”的二進制通信協議［5］。該協議基于TCP/IP協議簇構建，具有低開銷、低帶寬、低功耗等特點，可提供實時可靠的消息服務［6］。MQTT基于發布/訂閱模式提供一對多的消息發布傳輸，從而實現與應用程序的解耦，方便后續添加功能應用和迭代升級。MQTT作為一種輕量級、簡單、開放和易于實現的即時通信協議，MQTT技術在各種設備、嵌入式計算機、移動應用等方面有廣泛的應用。

1.1 MQTT發布訂閱模式

MQTT的發布/訂閱模式架構如圖1所示，主要由發布/訂閱客戶端和中間件代理服務器組成。基于這種通信架構，客戶端依據不同功能需求以及不同時刻選擇作為發布客戶端還是訂閱客戶端。各類應用客戶端以不同主題區分不同應用之間的消息發布和訂閱。發布客戶端依據自定的主題將消息發布到代理服務器；訂閱客戶端可依據主題向代理服務器訂閱該主題的發布者發布的消息；而代理服務器則根據不同的訂閱主題將特定的消息推送給對應主題的訂閱者［7］。MQTT發布訂閱模式下的發布者和訂閱者不限于任何資源有限的設備，可以是各類終端。

在MQTT通信模式中，基于同一個代理服務器通信的發布/訂閱客戶端實現了發布消息和接收消息的分離。通過這種機制，MQTT協議消除了各發布/訂閱應用之間的空間解耦、時間解耦、同步解耦，最大限度地減少信息冗余，可以在硬件設備有限、網絡性能差的情況下提供實時可靠的消息服務。當前MQTT通信協議已被廣泛用于智能家局、場景監控及實時通信等領域［8］。

1.2 MQTT通信流程

MQTT協議基于客戶端-服務器的工作模式，應用或設備作為客戶端連接到一個MQTT消息代理服務器，并通過訂閱相關主題（Topic）和向主題發布消息來實現數據傳輸［9］，如圖2所示。MQTT發布/訂閱的消息內容主要分為：消息主題（Topic）和消息負載（Payload）兩部分。

（1）消息主題：作為消息類型的唯一標識，發布者將消息發布出去后，訂閱者通過訂閱相應主題，就會收到該主題的消息。

（2）消息負載：用于存放消息的具體內容，是指發布/訂閱者具體傳輸和要使用的具體內容。

通信消息的具體內容以JSON編碼格式存在消息負載（Payload）中。消息負載主要由消息頭（Head）和消息體（Body）兩個字段組成。其中，消息頭包含類型號、序列號、時間等系統信息；消息體依照各類不同的類型封裝其所需的信息。

2 數據交互方案設計

整個星載應用通信系統主要由MQTT協議、功能應用模塊、載荷、數據轉存模塊、數據庫構成。各模塊基于MQTT協議進行數據通信，降低了各模塊程序之間的耦合程度，使各模塊的開發過程可控、易于升級部署。通過MQTT協議可便捷、快速將并發載荷及應用接入，同時為后續增加功能、迭代升級、持續開發提供消息交互接口。

2.1 功能設計

為更靈活地滿足不同類型客戶端（載荷及應用）的功能需求及數據在載荷、功能應用、數據庫之間及時、高效、穩定地交互，本文提出基于MQTT協議的數據交互系統，系統工作模式如圖3所示。功能應用與載荷、功能應用與功能應用之間的數據交互不僅可以是一對一、還可以實現一對多。數據庫主要用來存儲載荷采集數據和功能應用處理結果數據。數據庫的連接、讀取和寫入等工作都由數據轉存模塊完成；功能應用只負責接收和處理數據，而不會直接處理低速和頻繁的數據讀取和寫入操作。這不僅減少了功能應用程序的工作負載，而且大大提高了數據讀寫的自動化水平。

其中，功能應用與載荷之間的數據交互模式可以是多個功能應用獲取同一個載荷的數據，還可以是同一個功能應用獲取多個載荷的數據。而功能應用之間的數據交互根據具體任務需求，可以實現多個應用通過數據交互進行相互協作完成任務。這樣可以合理利用資源，實現均衡負載，使得系統最大化高效運行和快速完成任務。

2.2 實現過程

基于MQTT協議的工作模式，將功能應用模塊、載荷和數據轉存模塊作為客戶端連接到MQTT消息代理服務器，并通過訂閱相關主題和向主題發布消息來實現數據傳輸。各模塊通信主題定義如表1所示。

整個通信系統的交互過程主要包括以下幾個部分：

2.2.1 功能應用與載荷的交互

在MQTT協議框架下，載荷作為發布客戶端，功能應用作為訂閱客戶端。通過MQTT協議載荷作為發布者將采集的數據通過對應主題發布到MQTT代理服務器，功能應用作為訂閱者向代理服務器訂閱同一主題的消息，從而獲得對應載荷的數據。同理，若是其他應用也需要獲取該載荷的數據，只要向代理服務器訂閱同一主題的消息，便可獲得所需載荷數據。若是該功能應用還需要其他載荷的數據，只需向代理服務器訂閱對應載荷主題的消息，就可獲取該載荷的數據，進而實現不同類型的應用和載荷之間的數據交互，快速、高效、穩定地完成多個功能任務。

2.2.2 功能應用之間的交互

因功能任務需求不同，功能應用之間的數據交互可能是單向的，也可能是雙向的，所以不同的功能應用客戶端可能是消息的發布者或訂閱者，也可能既是發布者也是訂閱者。不同的功能應用之間以定義不同的MQTT通信主題來區分各應用之間的數據交互。

當某個任務需要多個應用相互協作才能完成時，則每個應用將會根據對應定義的唯一主題將自身的處理結果或數據發布到MQTT代理服務器，而其他需要此數據的應用作為訂閱者向代理服務器訂閱該對應應用主題的消息來獲取所需的數據，從而相互協作完成任務。

2.2.3 功能應用、載荷與數據轉存的交互

數據轉存主要是實現數據的轉發存儲功能，將載荷采集的數據和功能應用處理計算的結果數據進行轉發存儲。載荷將數據通過對應主題發布到MQTT代理服務器，數據轉存模塊向代理服務器訂閱對應載荷主題消息獲取載荷采集的數據，然后進行存儲。同理，功能應用將處理計算的結果數據通過對應主題發布到MQTT代理服務器，數據轉存模塊向代理服務器訂閱對應應用主題消息獲取數據，然后進行存儲。數據轉存模塊主要通過MQTT協議從MQTT代理服務器訂閱需要存儲的消息數據，然后將數據進行存儲，這不僅解耦了其他模塊對數據頻繁的讀寫存儲操作，還提高了數據轉存的自動化程度。

2.2.4 數據轉存與數據庫的交互

數據轉存模塊通過SQL模式訪問數據庫，將獲取的數據存儲到數據庫中或從數據庫中取出。

3 特性分析

衛星載荷和功能應用之間通過MQTT這種通信協議機制，使得通信消息冗余最小化，可以在資源有限的情況下提供實時可靠的消息服務。與以往傳統通信方式的數據交互相比，MQTT消除了各應用程序之間多維度的耦合性，可快速將并發載荷及應用接入，同時為后續增加功能、迭代升級、持續開發提供通信交互接口。這將不會因載荷類型或者應用不同，而帶來通信交互設計復雜的情況。基于MQTT協議，彼此之間的交互不需要因載荷設備不同而采用不同的通信協議，都將以MQTT發布/訂閱的形式進行通信和數據的交互，消息數據通信方向根據定義的主題區分，實現了基于同一通信協議，完成不同應用及載荷之間的通信和數據交互。

4 結語

星載應用數據的交互是衛星完成任務的重要組成部分，基于MQTT的星載應用數據交互架構提供了一種提升衛星數據交互系統性能的新思路。基于MQTT協議，星載應用數據與衛星載荷數據的交互在多邊響應、高效性、實時性和可靠性等方面均有所保障。

參考文獻

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Distributed multitasking on-board application message interaction scheme based on MQTT

ShengXiang， Butugeqi， WangYanbo

（Shanghai Aerospace Electronics Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： With the arrival of Internet +LEO satellite constellation， the traditional on orbit processing is weak， the communication mechanism is single， and the load and application data interaction are complex， which cannot meet the functional requirements of future satellites. Realizing rapid data interaction and sharing， real-time data processing， and unified load and application communication service interfaces has become new challenges. This article proposes a data interaction system scheme based on the MQTT communication protocol， which enables communication and message sharing among multiple task applications and various payloads; The development of application interaction function services is simple and flexible; Quickly connect concurrent workloads and applications to the platform. This solution not only enables reliable transmission of messages， provides a unified communication interface， but also reduces the coupling between application programs and workloads， making it easy for subsequent functional development， iterative upgrades， and application deployment.

Key words： MQTT protocol; data interaction; payload; on-board application