关于mqtt:工业物联网协议对比MQTT-Sparkplug-vs-OPCUA

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工业零碎须要确保数据的无缝替换，因而对于高效、平安的通信协议具备极高的依赖性。MQTT Sparkplug 和 OPC UA 是两个常常被提到的工业协定。本文将全面比拟 MQTT Sparkplug 和 OPC UA 以及它们的衍生版本，帮忙您更分明地理解哪种协定更适宜您的需要。

OPC UA 的前身是 OPC Classic（也称为 OPC DA 或 OPC Data Access），是由 OPC 基金会开发的一套工业自动化规范。OPC Classic 标准于 1996 年首次公布，它定义了一种标准化的办法，用于在软件应用和工业硬件设施（如传感器、控制器和可编程逻辑控制器）之间替换数据。

然而，OPC Classic 有个显著毛病：它与微软 Windows 操作系统及其专有的 DCOM 技术严密耦合。这种依赖性重大影响了协定的可用性、扩展性、互操作性、安全性和平台独立性，这对一个凋谢规范来说是微小的制约。

为了克服这些限度，OPC 基金会于 2006 年开始开发了 OPC UA (OPC Unified Architecture) 作为 OPC Classic 标准的后继者。这两种标准在性能上是等效的，但应用不同的底层通信技术。此外，OPC Classic DA 3.0 也于同年公布，并且至今仍在应用中。

在 20 世纪 90 年代末，Andy Stanford-Clark 和 Arlen Nipper 参加了一个对于管道监测的我的项目，该我的项目须要一种轻量级协定，用于与近程传感器和设施进行通信。该我的项目要求在低功耗、低带宽的环境下实现监测性能。然而，过后的音讯传输协定，如 HTTP 和 SMTP，被认为过于臃肿和低效，不适宜这种非凡的场景。

为了应答这些挑战，一种公布 / 订阅模式的音讯传输协定 MQTT 应运而生。MQTT 以其精简的代码和极低的带宽耗费而著称，因而在低功耗、低带宽的场景下具备显著的劣势。它的次要指标是实现设施和零碎之间的大规模实时数据交换，即便面对不同的数据格式和构造，也能保障数据通信的标准化。这一特点使得 MQTT 成为物联网和机器对机器（M2M）利用的现实抉择。

MQTT 于 2010 年被结构化信息规范促成组织（OASIS）公布为凋谢规范，从而使其成为各个组织和行业可应用的通信协议。随后，在 2014 年公布了 MQTT 3.1.1，引入了一些新的个性，例如改良的错误处理和对服务质量（QoS）级别的反对。再起初，在 2019 年公布了 MQTT 5.0，进行了重大的改良，包含对自定义属性的反对、长久会话的实现以及错误报告的优化。

MQTT 公布 / 订阅模型相比经典 OPC UA 客户端 - 服务器模型有以下几个劣势：

可扩展性：公布 / 订阅模型能够无效地解决大量的设施和零碎，非常适合工业自动化和物联网利用。
实时数据交换：公布 / 订阅模型是为实现实时数据交换而专门设计的，它能让设施和零碎及时感知和适应环境变动。
缩小网络流量：公布 / 订阅模型通过只传递设施和零碎须要的数据，而非所有数据，能够无效地升高网络流量。

2018 年，OPC 基金会公布了 OPC UA 公布 / 订阅标准，它为 OPC UA 制订了一种公布 / 订阅的通信模型，该模型能够采纳 MQTT 协定作为传输方式。OPC UA 公布 / 订阅模型十分弱小，为工业自动化和物联网利用带来了微小的益处。

MQTT 协定在物联网场景中获得了微小的胜利，但因为互操作性有余，它在工业自动化零碎中的利用受到了限度。为了解决这个问题，Cirrus Link Solutions 在 2016 年推出了 Sparkplug 标准，旨在简化 MQTT 在工业自动化零碎中的部署和应用。该标准为 MQTT 音讯定义了一个标准化的格局，使得不同设施和利用之间可能不便地进行数据交换。

Sparkplug 的一个显著特点是它反对设施之间的双向通信。这种能力使得设施不仅能够发送命令，还能够接管来自网络中其余设施的反馈。

这篇博客通过介绍 5 个要害概念，论述了为何 MQTT Broker 是实现 Sparkplug 设计准则的现实抉择：Sparkplug 标准中对于 MQTT Broker 的 5 个要害概念。

MQTT 和 OPC UA 是工业自动化和物联网利用中罕用的两种协定，它们领有不同的架构和设计，体现了各自的用处。以下是 MQTT、OPC UA 及其变体在开放系统互联（OSI）模型方面的比拟：

OSI 模型	MQTT	OPC UA	MQTT Sparkplug	OPC UA over MQTT
应用层	公布 / 订阅机制	OPC UA 通信（60 种数据类型）	Sparkplug 通信（18 种数据类型）	OPC UA 公布 / 订阅通信
表示层	未定义	UA-JSON UA-XML UA-Binary	Protobuf	UA-JSON<br/>UA-XML<br/>UA-Binary
会话层	无会话	客户端 - 服务器会话治理	Sparkplug 会话感知	无会话
传输层	TCP/IP	TCP/IP	MQTT	MQTT

传输层 ：MQTT 和 OPC UA 都应用 TCP/IP 作为底层通信协议。MQTT Sparkplug 和 OPC UA over MQTT 则应用 MQTT 作为传输协定，它们都采纳了 MQTT 的公布 / 订阅模型。

会话层 ：OPC UA 蕴含负责管理客户端和服务器之间连贯的会话层，解决诸如会话建设、身份验证和加密等工作。相比之下，MQTT 不具备会话层治理性能。然而，MQTT Sparkplug 通过在会话层引入 Sparkplug 会话感知来补救这个有余。

表示层 ：OPC UA 领有定义良好的信息模型，该模型定义了客户端和服务器进行数据交换时数据的构造和语义，例如 UA-JSON 和 UA-binary。相比之下，MQTT 不足正式的信息模型，而是依赖于基于主题的音讯来实现客户端和服务器之间的数据通信。MQTT Sparkplug 则是通过指定 Google Protobuf 作为音讯格局来补救这一差距，以加强 MQTT 的能力。

应用层 ：MQTT 和 OPC UA 在应用层协定上有显著的区别。MQTT 应用公布 / 订阅模型，通过主题来组织音讯，而 OPC UA 应用客户端 / 服务器模型，通过分层对象模型来组织数据。OPC UA 公布 / 订阅标准是对 OPC UA 客户端 / 服务器模型的一种扩大。

MQTT Sparkplug 和 OPC UA 各有优劣，因而在不同的应用场景中，可能会呈现某个协定比另一个更加实用的状况。这两种协定及其衍生协定之间的一些次要区别如下：

指标	MQTT	MQTT Sparkplug	OPC UA	OPC UA over MQTT
音讯传输模型	公布 / 订阅	公布 / 订阅	客户端 / 服务器	公布 / 订阅
带宽应用	开销最低，低带宽和低功耗	开销最低，低带宽和低功耗	高代码占用，高带宽	高代码占用，高带宽
音讯载荷	未定义	轻量级音讯，通常小于 OPC UA	简单的数据类型，其音讯大小能够远大于 MQTT Sparkplug	简单的数据类型，其音讯大小能够远大于 MQTT Sparkplug
互操作性	不具备互操作性	具备互操作性（18 种数据类型）	高度互操作性（60 种数据类型）	高度互操作性（60 种数据类型）
扩展性	高度可扩大	高度可扩大，每秒能解决百万级音讯	可扩展性较好，但须要更简单的架构来解决大量数据	比 OPC UA 客户端 / 服务器模型具备更好的可扩展性
集成便利性	应用简略，配置要求起码	应用简略，配置要求起码	须要较多的装置和配置	须要较多的装置和配置
服务质量	QoS 0（至少一次）、QoS 1（至多一次）和 QoS 2（仅一次）	QoS 0（至少一次）、QoS 1（至多一次）和 QoS 2（仅一次）	提供牢靠的传输层，确保消息传递有序且不失落	提供牢靠的传输层，确保消息传递有序且不失落
状态感知	否	是	是	是
主动发现	否	否	是	是
应用领域	物联网、家庭自动化和 M2M 利用	工业物联网和 M2M 利用	工业自动化	工业自动化
实时性	是	是	是	是
安全性	安全性不如 OPC-UA	安全性不如 OPC-UA	数字证书、数字签名、数据加密和平安认证	数字证书、数字签名、数据加密和平安认证
信息模型	不具备内置的信息建模反对	反对简单的信息建模，但不迭 OPC UA 多	反对简单的信息建模零碎，容许创立简单的数据结构和模型	反对简单的信息建模零碎，容许创立简单的数据结构和模型

简而言之，OPC UA 是一个凋谢规范，它蕴含了一套定义明确的数据类型标准。而 MQTT Sparkplug 也是一个凋谢规范，但它在数据类型的标准化方面做得不够。因而，在数据传输过程中，MQTT Sparkplug 产生的协定开销更小。

MQTT Sparkplug 应用了轻量级的音讯传输协定，非常适合低带宽或不稳固的网络环境。而 OPC UA 应用了更弱小的音讯传输协定，可能解决更多的数据量，更适宜高速和平安的网络环境。

OPC UA 和 MQTT 之间的竞争始终继续至今。目前，EMQ 正在推出针对汽车行业的 MQTT over QUIC 协定，而 OPC 基金会也公布了 OPC UA over TSN。OPC UA over TSN 提供了一种在以太网上传输实时数据的标准化办法，旨在简化简单的工业自动化和控制系统。