MQTT 与 CoAP：物联网常见连接协议的对比分析
EMQX Team
引言
在当今不断变革的数字世界中，物联网技术已成为研究的热点。通信协议在物联网技术中扮演着至关重要的角色。这些协议定义了网络中信息交换的规则，包括数据传输的格式、时序、顺序以及错误检查机制。
本文将深入探讨两种主要的通信协议：MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）和 CoAP（Constrained Application Protocol）。我们将从定义、关键功能、优缺点，以及它们在设计架构、安全特性和实际应用场景方面的不同，进行详尽的比较分析。
MQTT 简介
MQTT 是一种轻量级的消息传输协议，广泛用于物联网应用。其起源于 20 世纪 90 年代末，设计初衷是为了在网络带宽受限且连接可靠性无法保证的环境中，提供一种简洁且稳定的遥测数据传输方式。
MQTT 的关键特性包括：
- 发布-订阅模型：MQTT 基于发布-订阅模型运作，非常适合物联网应用场景。发布者将消息发送至特定主题，而所有订阅该主题的客户端均能接收到该消息。
- 轻量化设计：得益于其极小的数据包尺寸，MQTT 极为轻量化，适合在网络带宽十分宝贵的情况下使用。
- 服务质量等级：MQTT 提供三种服务质量（QoS）等级，从“最多一次”（消息交由操作环境进行传递，无需响应），到“精确一次”（确保消息准确无误地仅送达一次，严禁重复消息）。
- 保留消息：MQTT 允许在特定主题上保留消息。对于任何订阅该主题的客户端，都会存储并提供该主题的最新消息。
- 遗嘱机制：若 MQTT 客户端非正常断开连接，系统将向所有订阅者发送预设的“遗嘱”消息。
- 会话管理能力：MQTT 具备内置的会话管理机制。这意味着即使连接中断，也能够在不丢失任何消息的情况下，重新建立会话。
CoAP 简介
CoAP 是一种专为物联网中的受限节点和网络设计的特殊 Web 传输协议。它不仅能够轻松转换为 HTTP 以便与 Web 无缝集成，同时还满足特定的要求，如多播支持、极低的开销和适用于受限环境的简洁特性。
CoAP 的关键特性包括：
- 基于 UDP：不同于运行在 TCP 之上的 MQTT，CoAP 设计为使用 UDP，更适合于网络和资源受限的环境。
- 类 HTTP 语义：CoAP 采用了类似 HTTP 的语义，使用 GET、POST、PUT 和 DELETE 等方法进行交云。这使得熟悉 HTTP 的开发者可以轻松地采用 CoAP。
- 确认消息：CoAP 提供了确保消息送达接收方的确认消息机制。如果没有收到确认回复，消息将会被重新发送。
- 资源观察：CoAP 允许客户端“观察”资源，这样当资源状态发生变化时，客户端可以自动接收更新。
- 分块传输：CoAP 支持将大型负载分割成小块进行传输，这对数据包大小敏感的受限网络来说非常有用。
MQTT 与 CoAP 对比
MQTT 与 CoAP 的基本对比可以总结如下表：
| MQTT | CoAP | |
|---|---|---|
| 传输层 | TCP | UDP |
| 头部大小 | 2 字节 | 4 字节 |
| 资源开销 | 低 | 非常低 |
| 消息模型 | 发布/订阅 | 请求/响应 RESTful |
| 消息可靠性 | 非常高 | 较低 |
| 功能多样性 | 丰富 | 较少 |
连接性
MQTT 建立在 TCP 协议之上，确保了数据传输的高可靠性，但相应的开销也较大。与之形成对比的是，CoAP 运行于 UDP 之上，虽然开销更小，但可靠性相对较低。MQTT 协议采用了灵活的头部设计，最小仅有 2 字节，而 CoAP 则采用了固定的 4 字节头部。MQTT 在网络环境良好的情况下表现出色且具有高度的可扩展性，但可能会消耗更多资源；相较之下，CoAP 由于更加轻量级，更适合资源受限的环境，但在高并发场景下可能会遇到挑战。
两种协议都提供了连接安全特性，但实现方式有所不同：
- MQTT 依赖于 SSL/TLS 等底层协议提供的安全传输机制。
- CoAP 则内置了对 DTLS（数据报传输层安全）的支持。
此外，MQTT 支持使用 CONNECT 消息中的用户名和密码等内置认证参数，而 CoAP 协议则没有提供类似的内置认证机制。用户需要自行集成这些机制，例如 HTTP 协议中的 Authorization 头部。
消息模型
MQTT 采用发布-订阅模型，非常适合于发送方和接收方不需要实时同步的场景。这一特性对物联网应用尤为重要，因为设备间的通信往往是异步进行的。设备可以发布数据，而感兴趣的其他设备可以订阅这些数据。这种方式使得设备间能够高效地通信，而无需保持同步。
相比之下，CoAP 基于请求-响应模型，并采用了符合 RESTful 原则的资源管理方式。CoAP 试图复制 HTTP 的行为，采用了传统的请求-响应模式，这使得它非常适合需要设备直接进行一对一交互的场合。而且，CoAP 也支持观察者模式，允许设备订阅资源并在这些资源发生变化时获得通知，这与 MQTT 的发布-订阅模型有些相似。
消息可靠性
MQTT 和 CoAP 都设计有可靠的传输机制。MQTT 提供了极高的可靠性但是资源需求较高，而 CoAP 则基于 UDP 实现了一个简易的重传机制。
MQTT 提供了三种服务质量（QoS）级别，以确保消息的可靠传递：
- QoS0：“最多一次”，无需确认响应，适用于偶尔的消息丢失也可以接受的场景。
- QoS1：“至少一次”，会重传未获确认的消息，适用于不能接受消息丢失但可以容忍重复消息的场景。
- QoS2：“精确一次”，不允许有重复消息，适用于对消息接收精确度要求极高的关键任务应用。
CoAP 则提供了一种确认消息传递的机制。只要未收到确认，就会重试发送需要确认的消息，从而提供了一定程度的可靠性，类似于 MQTT 协议中的 QoS1 级别。
此外，MQTT 还支持会话概念。它能够维护会话状态，包括所有必要的信息，以便在连接中断时能够继续会话。而 CoAP 则没有内置的会话管理功能，因此一旦连接丢失，会话就无法恢复，可能会导致传输中的消息丢失。
功能多样性
MQTT 拥有更加丰富和完善的内置功能。例如：
- 遗嘱消息：MQTT 内置了处理连接意外中断情况的机制。如果客户端非正常断开连接，一个预设的“遗嘱消息”会被发布。
- 消息保留：MQTT 能够保留主题上的最新消息，并将其提供给新加入的订阅者。这对于那些需要了解最新状态的后来者非常有用。
- 共享订阅：MQTT 支持共享订阅功能，允许多个客户端订阅同一主题，并在它们之间均衡分配消息。
与此相反，CoAP 注重简洁性，并针对 UDP 协议带来的局限性提供了解决方案，比如：
- 分块传输：CoAP 支持通过将大数据包分割成小块来进行传输，这在网络受限且对包大小敏感的情况下尤其有用。它还有效地避免了因数据包超过 1500 字节而在 IP 层产生的分段问题。
应用行业与场景
MQTT 应用场景
- 油气管道监控：MQTT 能确保消息的可靠传递，在监测管道是否存在泄漏或损伤方面至关重要。
- 工业自动化：在制造业中，MQTT 可用于实时监测和控制各种机械设备。
- 车联网：MQTT 被用于将车辆的性能和诊断数据从车载设备传输到服务器，实现实时追踪。
- 远程医疗：MQTT 能够将可穿戴医疗设备上的患者数据可靠且实时地传输给医疗服务提供者。
CoAP 应用场景
- 低功耗传感器：由于其低开销，CoAP 非常适合在低功耗和网络受限的物联网传感器上运行。
- 农业：在智能农业中，CoAP 可以用于土壤湿度监测、温室气候控制和牲畜跟踪。
- 环境监测：CoAP 常用于监测环境状况（温度、湿度和空气质量等）的设备。
- 智能计量：由于 CoAP 的低功耗和能在受限设备上运行的能力，在水、电和燃气计量的数据收集方面具有巨大优势。
如何选择 MQTT 和 CoAP
在决定选用 MQTT 还是 CoAP 时，应考虑以下因素：
- 网络环境：如果您的网络不稳定或带宽受限，MQTT 凭借其轻量级设计和处理高延迟的能力，可能是更佳的选择。
- 设备能力：如果您的设备处理能力或存储空间有限，CoAP 的低开销特性可能使其成为更适合的选项。
- 消息传递保证：如果您需要确保消息只传递一次，MQTT 提供的高级服务质量（QoS）可能更加有利。
- 安全需求：MQTT 和 CoAP 都提供了安全特性，但它们的实现方式各不相同。根据您的具体安全需求选择合适的协议。
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结语
MQTT 和 CoAP 是两种为物联网设备设计的强大协议。尽管它们有许多相似之处，但它们在设计和架构上的差异使它们适用于不同的应用场景。理解这些差异有助于为您的物联网项目选择合适的协议。