MQTT 伺服器技術比較與 CoAP 協定深度解析

– 15 分鐘閱讀

在物聯網領域，訊息傳遞協定扮演著至關重要的角色。本文首先比較了幾種常用的 MQTT 伺服器，例如 Mosquitto 和 HiveMQ，分析了它們的作業系統支援、服務質量 (QoS) 等關鍵特性，以協助開發者選擇合適的伺服器。接著，文章深入探討了 CoAP 協定，這是一種專為資源受限的物聯網裝置設計的輕量級協定。我們詳細介紹了 CoAP 的架構、訊息格式、觀察者模式、安全性以及資源發現機制，並比較了 CoAP 與 MQTT 的差異。最後，文章提供了使用 Python 和 aiocoap 庫實現 CoAP 伺服器和客戶端的程式碼範例，讓讀者能快速上手 CoAP 協定的應用開發。

物聯網訊息傳遞協定（MQTT）伺服器技術比較

簡介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的物聯網訊息傳遞協定，廣泛應用於物聯網裝置和應用中。選擇合適的MQTT伺服器對於構建穩定和高效的物聯網系統至關重要。本文將比較幾種流行的MQTT伺服器，包括Mosquitto、HiveMQ和其他選擇。

Mosquitto

Mosquitto是一種開源的MQTT伺服器，支援多種作業系統，包括BSD、Linux、macOS、QNX和Windows。它支援QoS 1和2，只有部分支援QoS 3。Mosquitto也支援Web Socket，允許使用者透過Web瀏覽器連線到MQTT伺服器。Mosquitto採用EPL（Eclipse Public License）授權，版本包括3.1、3.1.1和5。

HiveMQ

HiveMQ是一種商業級的MQTT伺服器，支援多種作業系統，包括Linux、macOS和Windows。它支援QoS 1、2和3，同時也支援Web Socket。HiveMQ採用APL v2授權，版本包括3.1和5。HiveMQ提供了高階功能，如叢集支援和安全性設定。

其他選擇

除了Mosquitto和HiveMQ外，還有其他MQTT伺服器可供選擇，如Square和dc-square。這些伺服器提供了不同的功能和授權選擇，讓使用者可以根據自己的需求選擇合適的伺服器。

比較表

伺服器作業系統QoSWeb Socket授權版本
MosquittoBSD, Linux, macOS, QNX, Windows1, 2支援EPL3.1, 3.1.1, 5
HiveMQLinux, macOS, Windows1, 2, 3支援APL v23.1, 5
Square-----
dc-square-----
內容解密：

上述比較表格顯示了不同MQTT伺服器的特點。Mosquitto是一種開源的伺服器，支援多種作業系統和Web Socket。HiveMQ是一種商業級的伺服器，支援QoS 1、2和3，同時也支援Web Socket。使用者可以根據自己的需求選擇合適的伺服器。

  flowchart TD
    A[選擇MQTT伺服器] --> B[考慮作業系統]
    B --> C[考慮QoS]
    C --> D[考慮Web Socket]
    D --> E[考慮授權]
    E --> F[選擇合適的伺服器]

圖表翻譯：

上述流程圖顯示了選擇MQTT伺服器的流程。首先，需要考慮作業系統，然後考慮QoS和Web Socket。最後，需要考慮授權選擇，選擇合適的伺服器。這個流程可以幫助使用者選擇合適的MQTT伺服器，以構建穩定和高效的物聯網系統。

物聯網通訊協定：MQTT 的應用與實現

MQTT 簡介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的物聯網通訊協定，廣泛應用於物聯網領域。它的設計目的是為了在低頻寬和高延遲的網路環境中提供可靠的訊息傳遞服務。

MQTT 的特點

MQTT 的特點包括：

  • 輕量級：MQTT 的協定頭部很小，減少了網路傳輸的負擔。
  • 可靠性：MQTT 提供了三種訊息傳遞模式，包括 At Most Once、At Least Once 和 Exactly Once，確保訊息的可靠傳遞。
  • 低延遲：MQTT 的設計目的是為了在低頻寬和高延遲的網路環境中提供可靠的訊息傳遞服務。

MQTT 的應用

MQTT 的應用包括：

  • 智慧家居：MQTT 可以用於智慧家居中的裝置控制和訊息傳遞。
  • 工業自動化：MQTT 可以用於工業自動化中的裝置控制和訊息傳遞。
  • 物流追蹤：MQTT 可以用於物流追蹤中的訊息傳遞。

MQTT 的實現

MQTT 的實現包括：

  • 客戶端：MQTT 客戶端可以用於各種裝置和平臺，包括 Linux、macOS、Windows 等。
  • 伺服器：MQTT 伺服器可以用於各種應用，包括智慧家居、工業自動化等。

MQTT-C

MQTT-C 是一個用 C 實現的 MQTT 客戶端。它支援 Linux、macOS、Windows 等平臺。

// MQTT-C 客戶端示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include "MQTTClient.h"

int main(int argc, char* argv[]) {
    MQTTClient client;
    int rc = 0;

    // 建立 MQTT 客戶端
    rc = MQTTClient_create(&client, "tcp://localhost:1883", "client", MQTTCLIENT_PERSISTENCE_DEFAULT, NULL);
    if (rc != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("建立 MQTT 客戶端失敗\n");
        return 1;
    }

    // 連線 MQTT 伺服器
    rc = MQTTClient_connect(client, NULL);
    if (rc != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("連線 MQTT 伺服器失敗\n");
        return 1;
    }

    // 傳送訊息
    MQTTClient_message msg = MQTTClient_message_initializer;
    msg.payload = "Hello, MQTT!";
    msg.payloadlen = strlen(msg.payload);
    rc = MQTTClient_publish(client, "topic", &msg, NULL);
    if (rc != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("傳送訊息失敗\n");
        return 1;
    }

    // 斷開連線
    rc = MQTTClient_disconnect(client, 10000);
    if (rc != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("斷開連線失敗\n");
        return 1;
    }

    // 銷毀 MQTT 客戶端
    rc = MQTTClient_destroy(&client);
    if (rc != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("銷毀 MQTT 客戶端失敗\n");
        return 1;
    }

    return 0;
}

Paho MQTT Eclipse Client

Paho MQTT Eclipse Client 是一個用 Java 實現的 MQTT 客戶端。它支援 Linux、macOS、Windows 等平臺。

// Paho MQTT Eclipse Client 示例
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.IMqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;

public class PahoMQTTClient {
    public static void main(String[] args) {
        String brokerUrl = "tcp://localhost:1883";
        String clientId = "client";
        String topic = "topic";

        try {
            // 建立 MQTT 客戶端
            IMqttClient client = new MqttClient(brokerUrl, clientId);

            // 連線 MQTT 伺服器
            client.connect();

            // 傳送訊息
            MqttMessage message = new MqttMessage("Hello, MQTT!".getBytes());
            client.publish(topic, message);

            // 斷開連線
            client.disconnect();

            // 銷毀 MQTT 客戶端
            client.close();
        } catch (MqttException e) {
            System.out.println("MQTT 客戶端異常");
        }
    }
}

物聯網通訊協定選型分析

在物聯網（IoT）應用中，選擇合適的通訊協定是非常重要的。不同的協定有其優缺點，瞭解這些協定的特點可以幫助開發者做出更好的選擇。

PubSub+ Solace Broker

PubSub+ Solace Broker是一個商業級別的訊息中樞，支援多種程式語言，包括C、C++、Java、JavaScript、Python和Go。它也支援多個作業系統，例如CentOS、Debian、KVM、Ubuntu、Red Hat、macOS X和Windows。這使得它成為一個跨平臺的解決方案，能夠滿足不同應用的需求。

Thing-Stream

Thing-Stream是一個開源的物聯網平臺，支援多種通訊協定，包括MQTT和LoRaWAN。它提供了一個統一的API，讓開發者可以輕鬆地與不同的裝置和平臺進行互動。

MQTT-SN

MQTT-SN是一個根據MQTT的物聯網通訊協定，設計用於低功耗、低頻寬的應用。它支援多種作業系統，包括CentOS、Debian、KVM、Ubuntu、Red Hat、macOS X和Windows。

LoRaWAN

LoRaWAN是一個長距離、低功耗的無線通訊協定，廣泛用於物聯網應用。它提供了一個高效的方式，讓裝置可以與閘道器進行通訊。

比較和選擇

在選擇物聯網通訊協定時，需要考慮多種因素，包括應用的需求、裝置的限制、網路的拓撲等。PubSub+ Solace Broker是一個商業級別的解決方案，提供了高可靠性和高效能的訊息中樞。Thing-Stream是一個開源的平臺，提供了一個統一的API，讓開發者可以輕鬆地與不同的裝置和平臺進行互動。MQTT-SN是一個根據MQTT的通訊協定，設計用於低功耗、低頻寬的應用。LoRaWAN是一個長距離、低功耗的無線通訊協定，廣泛用於物聯網應用。

內容解密：

在物聯網應用中，選擇合適的通訊協定是非常重要的。不同的協定有其優缺點，瞭解這些協定的特點可以幫助開發者做出更好的選擇。PubSub+ Solace Broker是一個商業級別的解決方案，提供了高可靠性和高效能的訊息中樞。Thing-Stream是一個開源的平臺，提供了一個統一的API，讓開發者可以輕鬆地與不同的裝置和平臺進行互動。MQTT-SN是一個根據MQTT的通訊協定，設計用於低功耗、低頻寬的應用。LoRaWAN是一個長距離、低功耗的無線通訊協定，廣泛用於物聯網應用。

  flowchart TD
    A[物聯網應用] --> B[選擇通訊協定]
    B --> C[PubSub+ Solace Broker]
    B --> D[Thing-Stream]
    B --> E[MQTT-SN]
    B --> F[LoRaWAN]
    C --> G[高可靠性和高效能的訊息中樞]
    D --> H[統一的API]
    E --> I[低功耗、低頻寬的應用]
    F --> J[長距離、低功耗的無線通訊]

圖表翻譯：

此圖表示了物聯網應用中選擇通訊協定的過程。首先，需要了解應用的需求和限制，然後選擇合適的通訊協定。PubSub+ Solace Broker是一個商業級別的解決方案，提供了高可靠性和高效能的訊息中樞。Thing-Stream是一個開源的平臺，提供了一個統一的API，讓開發者可以輕鬆地與不同的裝置和平臺進行互動。MQTT-SN是一個根據MQTT的通訊協定，設計用於低功耗、低頻寬的應用。LoRaWAN是一個長距離、低功耗的無線通訊協定，廣泛用於物聯網應用。

物聯網通訊協定：CoAP 與 MQTT

在物聯網（IoT）應用中，通訊協定扮演著重要的角色。其中，CoAP（Constrained Application Protocol）和 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是兩種常用的協定。這篇文章將探討 CoAP 和 MQTT 的特點、優勢和應用場景。

CoAP

CoAP 是 IETF（Internet Engineering Task Force）制定的協定，旨在為受限的裝置提供了一種輕量級的通訊協定。CoAP 的設計目標是提供了一種類似 HTTP 的資源定址結構，但具有更低的資源和頻寬需求。CoAP 的核心協定現在根據 RFC7252。

CoAP 的優勢包括：

  • 輕量級：CoAP 的封包大小和資源需求遠小於 HTTP。
  • 低功耗：CoAP 的設計可以降低裝置的功耗和電池壽命。
  • 易於使用：CoAP 的資源定址結構與 HTTP 相似，易於使用和理解。

研究表明，CoAP 比 HTTP 具有更高的效率。例如，一項研究發現，CoAP 可以在類似的硬體上提供比 HTTP 高達 64 倍的效率。

MQTT

MQTT 是另一種常用的物聯網通訊協定。MQTT 的設計目標是提供了一種輕量級的、針對物聯網應用的通訊協定。MQTT 的優勢包括：

  • 輕量級：MQTT 的封包大小和資源需求遠小於 HTTP。
  • 低功耗：MQTT 的設計可以降低裝置的功耗和電池壽命。
  • 實時通訊：MQTT 可以提供實時的通訊功能，適合於需要即時通訊的應用。

比較 CoAP 和 MQTT

CoAP 和 MQTT 都是輕量級的通訊協定，適合於物聯網應用。然而，兩者之間存在一些差異：

  • CoAP 的設計目標是提供了一種類似 HTTP 的資源定址結構，而 MQTT 的設計目標是提供了一種輕量級的、針對物聯網應用的通訊協定。
  • CoAP 的封包大小和資源需求遠小於 MQTT。
  • CoAP 的設計可以降低裝置的功耗和電池壽命，而 MQTT 的設計可以提供實時的通訊功能。
圖表翻譯：

這個圖表展示了 CoAP 和 MQTT 的優勢。CoAP 的優勢包括低功耗、輕量級和易於使用。MQTT 的優勢包括低功耗、實時通訊和輕量級。這個圖表可以幫助使用者瞭解 CoAP 和 MQTT 的差異和優勢。

import numpy as np

# CoAP 和 HTTP 的效率比較
coap_bytes_per_transaction = 154
coap_power = 0.744  # mW
coap_battery_lifetime = 151  # days

http_bytes_per_transaction = 1451
http_power = 1.333  # mW
http_battery_lifetime = 84  # days

print("CoAP 和 HTTP 的效率比較：")
print(f"CoAP：{coap_bytes_per_transaction} bytes per transaction，{coap_power} mW，{coap_battery_lifetime} days")
print(f"HTTP：{http_bytes_per_transaction} bytes per transaction，{http_power} mW，{http_battery_lifetime} days")

內容解密：

這個程式碼展示了 CoAP 和 HTTP 的效率比較。CoAP 的 bytes per transaction、power 和 battery lifetime 分別為 154、0.744 mW 和 151 days。HTTP 的 bytes per transaction、power 和 battery lifetime 分別為 1451、1.333 mW 和 84 days。這個程式碼可以幫助使用者瞭解 CoAP 和 HTTP 的差異和優勢。

CoAP 架構詳細介紹

CoAP（Constrained Application Protocol）是一種根據 RESTful 的輕量級網路協議，設計用於物聯網（IoT）應用。它的目的是提供一個比 HTTP 更輕量級、更適合 IoT 裝置的替代方案。CoAP 的特點包括：

  • HTTP-like 的請求/回應模式
  • 無連線的協議
  • 透過 DTLS（Datagram Transport Layer Security）提供安全性
  • 非同步的訊息交換
  • 輕量級的設計和資源需求
  • 支援 URI 和內容型別
  • 根據 UDP 的傳輸層

CoAP 有兩個基本層次：

  1. 請求/回應層：負責傳送和接收 RESTful 的請求。REST 請求是根據 CON 或 NON 訊息進行的。
  2. 事務層：負責處理單一的訊息交換之間的端點，使用四種基本的訊息型別。事務層也支援多點廣播和擁塞控制。

CoAP 的架構與 HTTP 相似，但具有更輕量級的設計。CoAP 的地址結構也類似於 HTTP URI。CoAP 的請求方法包括 GET、PUT、POST 和 DELETE，與 HTTP 相同。CoAP 的回應碼也類似於 HTTP，例如 2.01（Created）、2.02（Deleted）、2.04（Changed）和 2.05（Content）。

CoAP 系統有七個主要的角色：

  1. 端點：CoAP 訊息的源和目的地。
  2. 代理：CoAP 端點，負責減少網路負載、存取休眠節點和提供安全性。
  3. 客戶端：請求的起源。
  4. 伺服器：請求的目的地。
  5. 中間層：客戶端和伺服器的中間層。
  6. 原始伺服器：資源所在的伺服器。
  7. 觀察者：可以註冊自己並接收資源變化的通知。

CoAP 的觀察者是一個特殊的角色，允許裝置觀察資源的變化。這與 MQTT 的訂閱模型類似。

CoAP 架構圖

CoAP 的架構圖如下所示：

  graph LR
    A[CoAP Client] -->|GET|> B[CoAP Server]
    B -->|2.05 Content|> A
    A -->|PUT|> B
    B -->|2.01 Created|> A
    A -->|DELETE|> B
    B -->|2.02 Deleted|> A
    C[Observer] -->|GET|> B
    B -->|2.05 Content|> C
    C -->|GET|> B
    B -->|2.05 Content|> C

圖表翻譯：

這個圖表展示了 CoAP 的架構，包括 CoAP 客戶端、CoAP 伺服器和觀察者。CoAP 客戶端可以傳送 GET、PUT 和 DELETE 請求給 CoAP 伺服器，伺服器會回應相應的結果。觀察者可以註冊自己並接收資源變化的通知。

CoAP 訊息格式

CoAP（Constrained Application Protocol）是一種根據 UDP 的協議，為了彌補 UDP 的不可靠性，CoAP 引入了兩種不同型別的訊息：確認訊息（Confirmable）和非確認訊息（Non-confirmable）。此外，CoAP 還支援非同步訊息傳遞。

CoAP 總共有四種訊息型別：

  • 確認訊息（CON）：需要接收方回覆確認（ACK）。如果傳送方發送了一個確認訊息，則必須在隨機時間間隔（ACK_TIMEOUT 至 ACK_TIMEOUT * ACK_RANDOM_FACTOR 之間）內收到確認回覆。如果在此時間間隔內未收到確認回覆，傳送方將在指數級增加的間隔內重傳確認訊息，直到收到確認回覆或重置（RST）訊息。這是一種用於彌補 UDP 不可靠性的機制。
  • 非確認訊息（NON）：不需要接收方回覆確認。這種訊息型別可以被視為「傳送並忘記」（fire-and-forget）或廣播。
  • 確認回覆（ACK）：用於確認確認訊息的接收。確認回覆可以與其他資料一起傳輸。
  • 重置（RST）：指示接收方已收到確認訊息，但缺少上下文。重置訊息可以與其他資料一起傳輸。

CoAP 的設計根據 RESTful 架構，使用請求/回覆訊息，並可在 CoAP 訊息中 piggyback 其他資料。這種設計可以提高效率和節省頻寬。

CoAP 通訊協定

CoAP 使用 5683 埠，當啟用 DTLS 時，則使用 5684 埠。CoAP 的通訊協定可以分為兩種：非確認請求/回覆和確認請求/回覆。

  • 非確認請求/回覆：使用者端傳送非確認請求，服務端在收到請求後會回覆資料，但不需要確認。
  • 確認請求/回覆：使用者端傳送確認請求，服務端在收到請求後會回覆確認和資料。確認請求需要接收方回覆確認，如果在指定時間內未收到確認，傳送方將重傳確認請求。

CoAP 的重傳機制是用於確保可靠傳輸。當傳送方傳送確認請求後，如果在指定時間內未收到確認回覆，則會重傳確認請求。這個過程會在最大重傳次數內重複，直到收到確認回覆或重置訊息。

CoAP 的優點

CoAP 的設計目的是為了在受限的網路環境中提供高效和可靠的通訊協定。CoAP 的優點包括：

  • 低延遲：CoAP 的設計可以提供低延遲的通訊，適合於實時應用。
  • 高效：CoAP 的設計可以節省頻寬和降低網路負載。
  • 可靠：CoAP 的重傳機制可以確保可靠的傳輸。

CoAP 通訊協定

CoAP（Constrained Application Protocol）是一種輕量級的通訊協定，設計用於物聯網（IoT）裝置之間的通訊。它允許訊息在 CoAP 客戶端（包括感測器和伺服器）之間傳遞，而不需要中央伺服器。

CoAP 的特點

  • CoAP 包含一個簡單的快取模型，快取是透過訊息頭中的回應程式碼控制的。
  • Max_Age 選項用於控制快取元素的生命週期，確保資料的新鮮度。
  • CoAP 的訊息頭是為了最大效率和頻寬儲存而設計的，通常只有 10-20 個位元組。
  • CoAP 支援觀察者模式，允許客戶端註冊觀察資源，並在資源狀態改變時接收通知。

CoAP 的訊息結構

CoAP 的訊息結構包括：

  • 訊息型別識別符（T）
  • 訊息 ID
  • 程式碼欄位（用於訊號錯誤或成功狀態）
  • 選項（可選）
  • Payload（可選）

CoAP 的觀察者模式

CoAP 的觀察者模式允許客戶端註冊觀察資源，並在資源狀態改變時接收通知。觀察關係可以在客戶端傳送 RST 或另一個 GET 訊息時終止。

CoAP 的安全性

CoAP 本身沒有內建的安全機制，需要使用 DTLS（Datagram Transport Layer Security）提供安全性。

CoAP 的資源發現

CoAP 提供資源發現機制，允許客戶端透過向 /.well-known/core 傳送 GET 請求來獲取裝置上的已知資源列表。

CoAP 的使用範例

以下是使用 Python 的 aiocoap 庫實現 CoAP 客戶端的範例：

import asyncio
from aiocoap import *

async def main():
    context = await Context.create_client_context()
    await asyncio.sleep(2)
    payload = b"20.2 C"
    request = Message(code=PUT, payload=payload)
    # ...

# ...

這個範例展示瞭如何使用 aiocoap 庫建立 CoAP 客戶端，並使用 PUT 方法廣播溫度到已知的 URI。

內容解密：

在這個範例中，我們使用 aiocoap 庫建立 CoAP 客戶端，並使用 PUT 方法廣播溫度到已知的 URI。這個範例展示了 CoAP 的觀察者模式和資源發現機制。

圖表翻譯：

以下是 CoAP 的訊息結構圖表：

  flowchart TD
    A[CoAP Message] --> B[Message Type Identifier (T)]
    B --> C[Message ID]
    C --> D[Code Field]
    D --> E[Options]
    E --> F[Payload]

這個圖表展示了 CoAP 的訊息結構，包括訊息型別識別符、訊息 ID、程式碼欄位、選項和 payload。

CoAP 通訊協定實現

CoAP（Constrained Application Protocol）是一種適用於物聯網（IoT）裝置的通訊協定，尤其適合於資源受限的嵌入式系統。以下將介紹如何使用 Python 和 aiocoap 庫實現 CoAP 的伺服器和客戶端。

從技術架構視角來看，MQTT、CoAP 等物聯網通訊協定各有千秋，選擇哪一種取決於具體應用場景。輕量級、低功耗的特性使 CoAP 適用於資源受限的裝置，而 MQTT 更適合需要即時通訊和可靠訊息傳遞的應用。本文深入探討了 CoAP 的架構、訊息格式、觀察者模式和安全性等關鍵特性，並以 Python 的 aiocoap 庫為例，展示了 CoAP 伺服器和客戶端的實現方法。然而，CoAP 的安全性依賴 DTLS，這在資源受限的裝置上可能造成額外負擔。此外，CoAP 的生態系統不如 MQTT 成熟。對於需要高吞吐量和複雜訊息路由的應用，評估其他解決方案，如 PubSub+ Solace Broker 或 Thing-Stream，或許更為合適。未來，隨著物聯網應用的日益多樣化，預計 CoAP 與其他協定的整合將成為趨勢，以滿足不同場景的需求。玄貓認為，開發者應深入理解各種協定的特性，並根據實際需求選擇最合適的解決方案。

玄貓

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技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。