IoT協議介紹

在物聯網協議中有兩大類:

1. 感知層的協議:
   • 裝置之間的網路及傳輸連接
     • WiFi
     • RFID
     • 藍牙
     • ZigBee
     • 4G / 5G 網路
2. 應用層的協議:
   • TCP / IP 協定上的裝置通訊協議
     • MQTT
     • CoAP
     • XMPP
     • AMQP

今天要來介紹MQTT協議

MQTT

簡介

• MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 訊息序列遙測傳輸
  • 1999年 IBM發明
  • 伺服器與用戶端間的發布與訂閱的訊息傳輸協定 (publish / subscribe )
  • MQTT 正式變成開放的 OASIS 國際標準
  • 適用於 M2M 和 IoT 環境

MQTT 特點

MQTT 好處在於它是一種輕量級協議 ，由於是為了物聯網而設計的協定，因此它所需要的網路頻寬是很低的，而且需要的硬體資源也是低的。很適合用在低功耗和網絡帶寬有限的IoT環境，像是智慧家電或者醫療裝置等等。

MQTT 訊息傳遞原理

• 使用發佈(Publish) / 訂閱(Subscribe)的機制傳訊
• 4個主要的元素:
  • 發佈者 (Publisher)
  • 訂閱者 (Subscriber)
  • 主題 (Topic)
  • 轉訊站 (Broker)

• 由發布者 Publish 發佈一個主題，
• 然後就會傳送給 Broker
• 由 Broker 轉發給有 Subscrib 訂閱該主題的人

例如:
蘋果日報、聯合報 (Publish 發佈一個主題) 將報紙交由報社(Broker) 轉發，那報社(Broker)就會去看有誰訂閱(Subscrib 訂閱的人)蘋果日報或者訂閱聯合報，就會將報紙發布給他。

實例:

實際應用上來說，一定會有來自不同IoT設備或Sensors，將收集到的數據發送到MQTT Broker，再由 Broker 針對不同主題去發布給不同訂閱者。

當然啦，Client 同時可以充當數據的訂閱者和發布者，所以 Clien 和 MQTT Bocker 就會同時進行雙向的數據溝通。

MQTT 訊息格式、封包格式

• MQTT的訊息格式有三類:
  • Fix Header (固定格式封包)
    • 
    • Message Type為4 bit數字，共16位數
  • Variable Header (變動格式封包)
  • Payload (訊息內文)

MQTT QoS級別

• MQTT 定義了三個層級的品質設定
• QoS 代表Publisher與Broker、Broker與Subscriber之間傳輸品質

QoS 0 最多傳送一次（at most once）

• Publisher 傳訊給 Broker 後直接轉傳給 Subscriber，不會回傳確認封包
• QoS 0就像寄平信，不保證訊息會送達

QoS 1 至少傳送一次（at least once）

• Publisher 傳訊給 Broker 後，Broker會回應 PUBACK 訊息給Publisher，確認收到訊息
• Publisher沒有收到PUBACK回應，就會再次發送Publish
• 缺點:
  • Publisher沒有收到PUBACK回應，就會認定訊息沒送到，重傳訊息。
  • 讓訂閱者重複收到相同訊息。
• 保證訊息會送達，但可能會重複

QoS 2 確實傳送一次（exactly once）

• Publisher 傳訊給 Broker 後，Broker會回應PUBREC訊息給Publisher，確認收到要發布的訊息
• Publisher收到PUBREC回應時，傳送PUBREL（釋放發布訊息）
• Broker收到PUBREL，將訊息發布給Subscriber，並向Publisher回報PUBCOMP

QoS 總結

• QoS 0
  • 優點 - 佔用頻寬與傳送時間較少
  • 缺點 - 資料可能會遺失
• QoS 1
  • 優點 - 佔用頻寬與傳送時間較少較 Qos 2 少
  • 缺點 - Subscriber可能會收到重複的訊息
• QoS 2
  • 優點 - 不會重覆傳送相同訊息
  • 缺點 - 佔用頻寬與傳送時間較多

參考資料與圖片來源

https://swf.com.tw/?p=1002

http://designer.mech.yzu.edu.tw/articlesystem/article/compressedfile/(2016-07-15)%20%E7%AC%AC%E4%B8%89%E7%AB%A0%20MQTT%E9%80%9A%E8%A8%8A%E5%8D%94%E8%AD%B0.aspx?ArchID=2621