将数据从物联网设备传输到云端看似非常简单，但在开始任何物联网项目之前，您都要考虑如何应对各种通信挑战，而不仅仅是解决连接问题。

本文探讨了如何构建基于行业标准MQTT协议的解决方案以解决复杂性、成本和可用性问题，此外也分析了MQTT-SN为物联网应用带来的低功耗优势。

01.简介

从表面上看，设计和构建物联网(IoT)解决方案似乎非常简单。您拥有一些IoT设备，通过此类设备收集了一些数据，此外还拥有一个网络，以及一个用于接收和处理这些数据的云平台。

但是当您分析实施所有上述元素的细节时，您会发现这并非易事。

在启动任何IoT项目之前，您需要解决一系列重要问题：

• 您应该采用什么通信技术？选择哪一种网络？
• 如何扩展该网络？该网络是否安全可靠？功耗和数据效率如何？
• 您将使用什么接口将数据传输给企业？总成本是多少？

找到上述问题的答案对于任何IoT项目的成功都至关重要。

当今的IoT设备制造商对于设计合作伙伴的要求是熟练掌握通过蜂窝网络连接到云端的技术。在设计解决方案时，您需要简单易行的通信技术——能够在全球范围内运行，仅需极少的设置，并且方便客户安装。其中一项关键挑战是，将数据从IoT设备传输到基于云的管理平台。

在本白皮书中，我们探讨了IoT设备与企业之间不易察觉的通信复杂性，并阐明了通信不仅仅是解决连接问题那么简单。接着，我们证明了基于MQTT协议的解决方案能够克服安全性、效率和可用性等方面的挑战。

02.简介

IoT使用场景的共性

从联网医疗健康设备到工业监控，从智慧城市到资产追踪，大多数IoT使用场景都具有下列关键特性：

• 消息大小：消息或有效负载大小较小，通常约为50-500字节。
• 消息频率：消息频率范围从每隔几分钟发送一次数据，到每天甚至每周发送一次更新，或者在某些使用场景中仅在异常情况下发送。
• 续航时间：电池的充电间隔可能需要达到一周，或者可能需要在现场运行多年而无需充电或更换。

上述三大特性决定了能否成功设计出资源使用受限的IoT设备。

低功耗解决方案不仅仅是LPWAN

在此类制约条件下运行的大多数IoT产品将使用低功耗广域网(LPWAN)，以受益于LTE-M或NB-IoT无线电技术带来的节能降耗效益，以及省电模式(PSM)和非连续接收(eDRX)等功能。

然而，上述功能的有效性最终取决于网络运营商，并且其设置管理可能会变得十分繁重，尤其是对于部署在全球各地的IoT设备而言。

因此，与云的快速、安全通信将对设备功耗产生显著影响，而在实现超低功耗解决方案的过程中，协议的选择也成为一项关键决策。这项决策可以产生更深远的显著影响，并且可以与网络运营商控制的LPWAN功能形成互补。

03.设备与企业之间的数据传输挑战

我们来思考一下IoT设备与企业之间不易察觉的通信复杂性，包括安全性、效率和可用性。为克服上述挑战，我们接下来将探讨采用基于行业标准MQTT协议的解决方案的多种方法。

选择合适的协议是关键所在

任何数据传输都需要考虑两大组成要素：有效负载（构成消息本身的数据字节）；和开销（传输有效负载所需的其他信息字节）。尤其是对于资源受限型IoT使用场景而言，审慎控制传输开销对于解决方案的整体效益至关重要。

将通信协议视为您要发送的有效负载或“消息”的开销或“包装”。在下图中，我们采用了大众熟知的包裹包装来说明这一点。

• 用于传感器网络的MQTT(MQTT-SN)协议采用A6大小的信封表示；
• MQTT采用法律文件尺寸的信封表示；
• 受限应用协议(CoAP)采用气泡信封袋表示；
• HTTP采用纸板箱表示；
• 最右侧的安全通信协议（例如HTTPS）则相当于木制卡板箱的大小和重量。

通过继续采用包装的类比方法，我们将阐明如何通过选择合适的通信协议来降低消息开销，从而克服设备与企业之间的数据传输挑战中的诸多障碍。接下列我们将对MQTT进行具体分析。

04.为何选择MQTT？

MQTT是消息队列遥测传输协议(Message Queuing Telemetry Transport)的缩写，一经发布便迅速成为广受欢迎的IoT协议之一。该灵活、轻量级协议非常易于实施，支持双向通信，并且对消息数量没有限制，具有可扩展性。
MQTT是一种消息发布/订阅传输协议，旨在为机器对机器(M2M)通信设立可靠标准。用户可以根据具体的应用要求设定服务质量(QoS)级别。

传感器将其读数发布到所谓的“主题”中，而此类主题由MQTT代理进行管理，再由不同应用订阅MQTT代理管理的主题。发布/订阅架构对MQTT的效率起着至关重要的作用。

MQTT-SN进一步针对功率和带宽受限型设备的需求量身定制。

MQTT-SN具有常规MQTT的所有功能，但不依赖于TCP/IP，并采用了额外的QoS级别、互联睡眠模式和MQTT主题别名，而这一切均旨在减少通过无线方式传输的数据量，缩短设备的无线传输时间，并降低功耗。

连接/网络选择与功耗

在面对选择合适的无线电技术和运营网络的挑战时，大多数人会假定他们需要LPWAN技术，继而得出结论——由于NB-IoT具有非常低的功耗，因此必定是理想之选。然而，事情并非总是如我们所见。

第一个需要解决的问题是IoT设备将在哪里运行。尽管您可能已了解到LTE-M和NB-IoT的覆盖范围，但这两项技术的推出仍处于早期阶段，在大多数国家/地区并未实现全面覆盖，而在其他一些国家甚至不存在。

如果您的IoT设备将在农村地区移动或运行，仅依靠LPWAN通信技术可能会给您带来覆盖空白的问题。

NB-IoT仅适用于固定场景应用。此外，NB-IoT的数据传输速率较低，这意味着如果您想发送200字节或更高的有效负载，或者一旦您为解决方案增加了安全性，无线数据传输所耗费的大量时间将会快速削弱NB-IoT带来的节能降耗效益。

若要实现可靠的全球通信，更稳妥的答案是选择具有2G回退功能的LPWAN模块或LTE模块。基于MQTT协议的通信解决方案可以极大地促进功率优化，无论选择这两项无线电技术中的任何一项，对于功率受限型IoT设备而言都是可行的选择。

安全性与功耗

与协议的选择一样，您选择保护数据的方式将对功耗产生显著影响。在下图中，我们比较了分别使用MQTT-SN 与SSL/TLS发送简单的12字节消息“Hello World”所产生的开销。使用MQTT-SN的安全端到端通信只需要26字节的开销，而SSL/TLS的开销则为6KB（即230倍）。

有效负载消息通常约为50-500字节，而230倍的安全性开销损失远远超出了填充率，抵消了您在应对设备与企业之间的数据传输挑战过程中所获得的任何收益。

u-blox提供了一系列物联网通信服务，其中包括使用专用接入点名称(APN)以实现安全的端到端MQTT-SN通信。由于APN是专用的，因此数据不会暴露在公共互联网上。

身份验证通过使用SIM识别码来实现，该值由运营商核心网络直接提供，不易被篡改。这意味着可以有效地以纯文本形式发送数据，而无需包含与额外标头或设备标识数据相关的开销。

数据通过安全的虚拟专用网络(VPN)到达我们的MQTT-SN网关，然后发送到我们的MQTT代理，最终传输给企业。

这可以使用多种协议来完成，包括MQTT和HTTPS。当然，此类较为繁重的协议和安全传输需要在具有足够的处理能力的云端进行管理。

完整版白皮书内容

本文节选自u-blox最新发布的白皮书《让物联网设备与企业间的通信化繁为简》，接下来的章节中，将对基于MQTT协议的解决方案是如何克服安全性、效率和可用性等方面挑战，做更为详尽的分析。

本白皮书中文版的完整章节如下，欢迎大家下载：

• 摘要
• 简介
• 设备与企业之间的数据传输挑战
• 为何选择MQTT？
• 物联网通信即服务
• 总结
• 作者简介
• 关于u-blox

赶紧戳这里↓↓

查看/下载完整白皮书