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4 MQTT在IOT的架构实现

在物联网(IoT)场景中MQTT协议的最佳结构是分层结构，具有中央代理或消息代理以及多个发布者和订阅者。这种架构具有可扩展性和效率，非常适合通常部署在物联网网络中的大量设备。

以下介绍使用MQTT的物联网的架构的主要组件和设计原则。

4.1 架构实现的组件：

• 服务代理

服务中央代理是MQTT体系结构的核心。它负责接收来自发布者的消息并将其转发给订阅者。代理还维护每个主题的所有订阅者列表，以便它可以有效地将消息路由到正确的收件人。

• 发布者

发布者是向代理发送消息的设备。它们可以是任何类型的设备，如传感器、执行器或控制器。
发布者通常使用MQTT CONNECT命令建立到代理的连接，然后使用MQTT PUBLISH命令发送消息。

• 订阅者

订阅者是从代理接收消息的设备。它们可以是任何类型的设备，例如显示器、警报或数据分析应用程序。订阅者通常使用MQTT SUBSCRIBE命令订阅一个或多个主题，然后使用MQTT PUBLISH命令接收来自代理的消息。

• 基于主题的消息路由

MQTT使用基于主题的路由机制向订阅者传递消息。主题是标识消息主题的字符串。

当发布者发送消息时，它包含标识消息主题的主题。然后，代理将消息路由到订阅该主题的所有订阅者。

• 服务质量(QoS)

MQTT协议支持三种服务质量(QoS)级别:0、1和2。

    QoS 0是最低级别的QoS，它不保证消息将被传递。
    QoS 1保证消息至少被传递一次，但不保证它只被传递一次。
    QoS 2保证消息只传递一次。

• 安全

MQTT协议可以使用传输层安全性(Transport Layer Security, TLS)来保护。TLS是一种加密协议，提供客户机和服务器之间的安全通信。当使用TLS时，代理要求发布者和订阅者在发送或接收消息之前对自己进行身份验证。

• 可伸缩性

MQTT体系结构被设计为可伸缩的。随着物联网网络中设备数量的增长，可以向网络中添加额外的代理来处理增加的负载。

• 效率

MQTT协议的设计是高效的。它使用轻量级消息传递格式，减少了传输消息所需的带宽。这使得它非常适合带宽有限的物联网应用。

4.2 MQTT在物联网架构中的设计原则

在设计基于mqtt的物联网架构时，您可以考虑一些常见的原则和最佳实践:

• 端到端加密:

实现端到端加密以保护设备与MQTT代理之间的通信。使用像TLS/SSL这样的协议来确保数据在传输过程中被加密。

• MQTT代理:

使用可靠且可扩展的MQTT代理来管理IoT设备之间的通信。流行的MQTT代理包括mosquito、HiveMQ和Eclipse mosquito。

• 设备认证授权:

为连接到MQTT代理的设备实现强身份验证机制。使用安全凭证并建立适当的授权规则来控制对MQTT主题的访问。

• 设备注册和管理:

包括一个设备注册表，用于管理IoT设备的状态和元数据。此注册表可以存储设备ID、设备类型和相关安全凭证等信息。

• 可伸缩性:

将架构设计为可伸缩的，以处理大量的设备和消息。考虑使用集群或负载均衡的MQTT代理在多个实例之间分配负载。
消息保留和持久化:

配置MQTT代理以保留消息并提供持久性，确保在网络中断或设备停机期间消息不会丢失。

• 服务质量(QoS)等级:

根据物联网应用程序的可靠性要求，为消息传递选择适当的QoS级别。这可以是QoS 0(最多一次)，QoS 1(至少一次)或QoS 2(正好一次)。

• 主题层次结构:

设计一个清晰的分层主题结构来组织和分类消息。这使得根据物联网设备的需求更容易管理和订阅特定主题。

• 边缘计算:

考虑整合边缘计算功能，允许在更靠近物联网设备的地方执行某些处理任务。边缘计算可以通过本地处理数据来减少延迟和带宽使用。

• 集成云服务:

将基于mqtt的物联网架构与云服务集成，以实现其他功能，如数据存储、分析和可视化。AWS IoT、谷歌Cloud IoT和Azure IoT等云平台提供的服务补充了基于mqtt的解决方案。

• 最佳安全措施:

遵循安全最佳实践，包括定期安全审计、固件更新以及使用物联网设备的安全引导机制。

• 监控和分析:

实施监控和分析，以深入了解物联网系统的健康状况和性能。跟踪诸如设备连接、消息吞吐量和系统资源使用等指标。

• 冗余和高可用性:

通过在体系结构中的关键点实现冗余来确保高可用性，例如冗余MQTT代理、负载平衡器和故障转移机制。

• 符合物联网标准:

考虑遵守物联网的行业标准和协议，例如OASIS MQTT标准。这可以增强与其他物联网设备和平台的互操作性和兼容性。

• 设备固件更新:

实施物联网设备的安全无线(OTA)固件更新机制，确保设备可以使用最新的安全补丁和功能进行更新。

物联网应用程序的最佳架构将取决于您的特定用例、可扩展性需求、安全考虑和集成需求。随着生态系统的发展也需要定期审查和更新架构。

5 小结

总体而言，分层体系结构是物联网中MQTT协议的最佳体系结构。
它是一种可扩展、高效、容错且易于管理的架构，非常适合通常部署在物联网网络中的大量设备。

物联网设计MQTT架构的一些额外提示:

1 为每个设备使用一个独特的主题。这将使调试和排除问题变得更容易。

2 对关键消息使用QoS2。这将确保消息只传递一次。

3 使用TLS保护MQTT网络。这将保护信息不被截获。

4 监视MQTT网络的性能和安全问题。使用网络监控工具跟踪消息量、延迟和错误等指标。