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人工智慧物聯網AIOT-025
先知科技總經理 高季安
August 08, 2024
在我們前一篇深入的探討中，我們涵蓋了多個關鍵通訊協定，如HTTP、TCP/IP、MQTT、OPC UA、Modbus 與 SECS/GEM，並掌握了它們各自的優勢及適用領域。今天，我們將專注於一個在物聯網應用中極為關鍵的通訊協定——MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）。
在網路世界快速發展的當下，MQTT因其輕量級和高效能的特點而受到廣泛關注。它不僅是一種消息協定，更是一種橋樑，連接各種物聯網設備和服務。本文將透過深入淺出的方式，介紹MQTT的起源、結構、核心功能以及它如何在現代物聯網領域中扮演不可或缺的角色。
一、MQTT簡介
MQTT通訊協定是為了滿足物聯網及工業互聯網的需求而設計的，特別是在帶寬受限、網路不穩定的環境下，仍能有效地傳遞訊息。這種通訊協定利用發佈/訂閱（publish/subscribe）的模式運作，不同於傳統的點對點通訊模式。在MQTT中，客戶端不直接與其他客戶端通訊，而是通過一個中間的代理（broker）來發佈及接收訊息。這種架構使得通訊更加靈活和擴展性更強。
在設計上，MQTT支持三種不同級別的服務品質（Quality of Service, QoS），確保消息的可靠性。QoS 0代表最多一次傳遞，不保證訊息被送達；QoS 1保證至少一次送達，可能會有重複；QoS 2則保證消息只被送達一次，這對於需要高度可靠性的應用來說非常重要。
此外，MQTT支持持久會話（persistent sessions），這意味著即使設備暫時離線，一旦重新連接，任何未接收的消息都會被送達。這對於移動設備或間歇性連接的設備尤其有用。而輕量級的協議頭部（protocol overhead）使得MQTT在頻寬有限的情況下也能高效運行，這對於許多需要實時數據通信的物聯網應用來說至關重要。
二、 MQTT與HTTP的比較
在當代物聯網溝通的廣闊領域中，通訊協定扮演了不可或缺的角色，特別是在確保數據流與消息交換的效率與可靠性上。在諸多通訊協定中，HTTP和MQTT各自擁有其獨特的設計哲學和應用場景(如圖1)。
圖1. MQTT與HTTP的比較
HTTP（超文本傳輸協定）是網際網路上最常用的協定，設計用於網頁數據的傳輸，包括文本、圖片和其他多媒體內容。它的主要特點是基於「請求-響應」模式，客戶端發送一個請求，伺服器則回應相對應的數據。HTTP協定的設計雖然簡單且廣為人知，但其每次通訊都需要建立一個新的連接，這在物聯網設備中可能會造成較大的負擔(如圖2)，尤其是在網路資源受限的環境中。
圖2. HTTP POST溫度=21 的內容
圖3. MQTT 發布溫度=21 的內容
相較之下，MQTT（訊息佇列遙測傳輸）提供了一個輕量級的消息交換協定，專為低帶寬和不穩定的網絡條件設計，非常適合用於物聯網應用(如圖3)。MQTT的核心在於其發佈/訂閱模型，使設備只需發送一次訊息，即可被多個訂閱者接收。此外，MQTT支持持久會話，即使在連接斷開的情況下，一旦重連就可以接收到未接收的消息，這對於確保消息的可靠傳輸至關重要。
從性能上看，MQTT在消息大小和傳輸延遲方面，通常優於HTTP。MQTT的消息更加精簡，減少了數據傳輸時的負擔，同時也縮短了傳輸的延時，這一點對於實時性要求高的物聯網應用尤為重要。而HTTP則提供了更為豐富和靈活的數據交換格式，適合於複雜的Web應用。
三、MQTT 機制
MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 是一種專為物聯網設計的輕量級通訊協定，基於簡單的發布/訂閱模型，非常適合於帶寬有限、設備資源有限或網路不穩定的環境中使用。在這個模型中，有三個主要角色：發布者（Publisher）、代理（Broker）和訂閱者（Subscriber）。
圖4. MQTT 的發布/訂閱機制示意圖
圖5. MQTT 的階層結構示意圖
圖6. MQTT 的訊息示意
- 發布者（Publisher）: 發布者的角色是生成並發送消息到代理。在MQTT的語境中，這些消息通常是來自感測器的數據或是控制指令。例如，在智能家居系統中，一個溫度感測器可以發布室內溫度的讀數。
- 代理（Broker）: MQTT代理是訊息傳遞的中心節點，負責接收所有發布者發送的消息並根據訂閱者的訂閱，將消息轉發到適當的訂閱者那裡。代理的作用是解耦消息的生產者和消費者，使得發布者和訂閱者之間不需要直接通訊。
- 訂閱者（Subscriber）: 訂閱者從代理訂閱感興趣的主題（topic），並接收相應主題的消息。在MQTT中，主題是一種地址標籤，代表消息的內容或類型，如家中各房間的「溫度」或「照明」狀態。
這種發布/訂閱模型使得MQTT在物聯網應用中非常有效，能夠支援大量網絡連接，同時保持通訊的低延遲和高效率。相對於HTTP協定，MQTT在消息傳遞方面提供了更高效的資源使用和更快的反應速度，特別是在需要即時更新的應用場合，如即時監控系統或遠程設備管理中。這使得MQTT成為一個在物聯網領域極具吸引力的選擇。
在關於MQTT通訊協定的探討中，我們不僅學習了MQTT的基本概念，也理解了其在實際應用中的重要性。透過發布者、代理及訂閱者這三者的有效協同，MQTT為物聯網世界提供了一個靈活且強大的數據交流平台。特別是在資源有限或網路條件較差的環境中，MQTT以其低帶寬和低功耗的特性，突破了傳統通訊協定的限制，使得遠端監控和即時反應成為可能。
這種以主題為基礎的消息傳遞機制不僅提高了數據處理的效率，也增強了系統的可擴展性和靈活性。學習並應用MQTT，將能讓我們在未來的智慧應用開發中，無論是在家庭自動化、工業監控還是健康照護領域，都能夠更好地實現物與物的智慧對話，推動生活和工作方式的革新。希望大家能夠透過這些知識，為自己的項目或日常生活帶來實際的改進和創新。
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