工業物聯網協定對比：MQTT Sparkplug vs OPC-UA

引言

工業系統需要確定資料的無縫交換，是以對于高效、安全的通信協定具有極高的依賴性。MQTT Sparkplug 和 OPC UA 是兩個經常被提到的工業協定。本文将全面比較 MQTT Sparkplug 和 OPC UA 以及它們的衍生版本，幫助您更清楚地了解哪種協定更适合您的需求。

OPC Classic 和 OPC UA

OPC UA 的前身是 OPC Classic（也稱為 OPC DA 或 OPC Data Access），是由 OPC 基金會開發的一套工業自動化标準。OPC Classic 規範于 1996 年首次釋出，它定義了一種标準化的方法，用于在軟體應用和工業硬體裝置（如傳感器、控制器和可程式設計邏輯控制器）之間交換資料。

然而，OPC Classic 有個明顯缺點：它與微軟 Windows 作業系統及其專有的 DCOM 技術緊密耦合。這種依賴性嚴重影響了協定的可用性、擴充性、互操作性、安全性和平台獨立性，這對一個開放标準來說是巨大的制約。

為了克服這些限制，OPC 基金會于 2006 年開始開發了 OPC UA (OPC Unified Architecture) 作為 OPC Classic 規範的後繼者。這兩種規範在功能上是等效的，但使用不同的底層通信技術。此外，OPC Classic DA 3.0 也于同年釋出，并且至今仍在使用中。

為物聯網而生的協定：MQTT 的演進

在 20 世紀 90 年代末，Andy Stanford-Clark 和 Arlen Nipper 參與了一個關于管道監測的項目，該項目需要一種輕量級協定，用于與遠端傳感器和裝置進行通信。該項目要求在低功耗、低帶寬的環境下實作監測功能。然而，當時的消息傳輸協定，如 HTTP 和 SMTP，被認為過于臃腫和低效，不适合這種特殊的場景。

為了應對這些挑戰，一種釋出/訂閱模式的消息傳輸協定 MQTT 應運而生。MQTT 以其精簡的代碼和極低的帶寬消耗而著稱，是以在低功耗、低帶寬的場景下具有顯著的優勢。它的主要目标是實作裝置和系統之間的大規模實時資料交換，即使面對不同的資料格式和結構，也能保證資料通信的标準化。這一特點使得 MQTT 成為物聯網和機器對機器（M2M）應用的理想選擇。

MQTT 于 2010 年被結構化資訊标準促進組織（OASIS）釋出為開放标準，進而使其成為各個組織和行業可使用的通信協定。随後，在 2014 年釋出了 MQTT 3.1.1，引入了一些新的特性，例如改進的錯誤處理和對服務品質（QoS）級别的支援。再後來，在 2019 年釋出了 MQTT 5.0，進行了重大的改進，包括對自定義屬性的支援、持久會話的實作以及錯誤報告的優化。

優勢互補：OPC UA over MQTT

MQTT 釋出/訂閱模型相比經典 OPC UA 用戶端-伺服器模型有以下幾個優勢：

• 可擴充性：釋出/訂閱模型可以有效地處理大量的裝置和系統，非常适合工業自動化和物聯網應用。
• 實時資料交換：釋出/訂閱模型是為實作實時資料交換而專門設計的，它能讓裝置和系統及時感覺和适應環境變化。
• 減少網絡流量：釋出/訂閱模型通過隻傳遞裝置和系統需要的資料，而非所有資料，可以有效地降低網絡流量。

2018 年，OPC 基金會釋出了 OPC UA 釋出/訂閱規範，它為 OPC UA 制定了一種釋出/訂閱的通信模型，該模型可以采用 MQTT 協定作為傳輸方式。OPC UA 釋出/訂閱模型非常強大，為工業自動化和物聯網應用帶來了巨大的好處。

提升工業連接配接性：MQTT Sparkplug 規範

MQTT 協定在物聯網場景中取得了巨大的成功，但由于互操作性不足，它在工業自動化系統中的應用受到了限制。為了解決這個問題，Cirrus Link Solutions 在 2016 年推出了 Sparkplug 規範，旨在簡化 MQTT 在工業自動化系統中的部署和使用。該規範為 MQTT 消息定義了一個标準化的格式，使得不同裝置和應用之間能夠友善地進行資料交換。

Sparkplug 的一個顯著特點是它支援裝置之間的雙向通信。這種能力使得裝置不僅可以發送指令，還可以接收來自網絡中其他裝置的回報。

這篇部落格通過介紹 5 個關鍵概念，闡述了為何 MQTT Broker 是實作 Sparkplug 設計原則的理想選擇：Sparkplug 規範中關于 MQTT Broker 的 5 個關鍵概念。

OSI 模型概述

MQTT 和 OPC UA 是工業自動化和物聯網應用中常用的兩種協定，它們擁有不同的架構和設計，展現了各自的用途。以下是 MQTT、OPC UA 及其變體在開放系統互聯（OSI）模型方面的比較：

OSI 模型	MQTT	OPC UA	MQTT Sparkplug	OPC UA over MQTT
應用層	釋出/訂閱機制	OPC UA 通信（60 種資料類型）	Sparkplug 通信（18 種資料類型）	OPC UA 釋出/訂閱通信
表示層	未定義	UA-JSON UA-XML UA-Binary	Protobuf	UA-JSON UA-XML UA-Binary
會話層	無會話	用戶端-伺服器會話管理	Sparkplug 會話感覺	無會話
傳輸層	TCP/IP	TCP/IP	MQTT	MQTT

傳輸層：MQTT 和 OPC UA 都使用 TCP/IP 作為底層通信協定。MQTT Sparkplug 和 OPC UA over MQTT 則使用 MQTT 作為傳輸協定，它們都采用了 MQTT 的釋出/訂閱模型。

會話層：OPC UA 包含負責管理用戶端和伺服器之間連接配接的會話層，處理諸如會話建立、身份驗證和加密等任務。相比之下，MQTT 不具備會話層管理功能。然而，MQTT Sparkplug 通過在會話層引入 Sparkplug 會話感覺來彌補這個不足。

表示層：OPC UA 擁有定義良好的資訊模型，該模型定義了用戶端和伺服器進行資料交換時資料的結構和語義，例如 UA-JSON 和 UA-binary。相比之下，MQTT 缺乏正式的資訊模型，而是依賴于基于主題的消息來實作用戶端和伺服器之間的資料通信。MQTT Sparkplug 則是通過指定 Google Protobuf 作為消息格式來彌補這一差距，以增強 MQTT 的能力。

應用層：MQTT 和 OPC UA 在應用層協定上有明顯的差別。MQTT 使用釋出/訂閱模型，通過主題來組織消息，而 OPC UA 使用用戶端/伺服器模型，通過分層對象模型來組織資料。OPC UA 釋出/訂閱規範是對 OPC UA 用戶端/伺服器模型的一種擴充。

MQTT Sparkplug 和 OPC UA 對比

MQTT Sparkplug 和 OPC UA 各有優劣，是以在不同的使用場景中，可能會出現某個協定比另一個更加适用的情況。這兩種協定及其衍生協定之間的一些主要差別如下：

名額	MQTT	MQTT Sparkplug	OPC UA	OPC UA over MQTT
消息傳輸模型	釋出/訂閱	釋出/訂閱	用戶端/伺服器	釋出/訂閱
帶寬使用	開銷最低，低帶寬和低功耗	開銷最低，低帶寬和低功耗	高代碼占用，高帶寬	高代碼占用，高帶寬
消息載荷	未定義	輕量級消息，通常小于 OPC UA	複雜的資料類型，其消息大小可以遠大于 MQTT Sparkplug	複雜的資料類型，其消息大小可以遠大于 MQTT Sparkplug
互操作性	不具備互操作性	具備互操作性（18 種資料類型）	高度互操作性（60 種資料類型）	高度互操作性（60 種資料類型）
擴充性	高度可擴充	高度可擴充，每秒能處理百萬級消息	可擴充性較好，但需要更複雜的架構來處理大量資料	比 OPC UA 用戶端/伺服器模型具有更好的可擴充性
內建便利性	使用簡單，配置要求最少	使用簡單，配置要求最少	需要較多的安裝和配置	需要較多的安裝和配置
服務品質	QoS 0（至多一次）、QoS 1（至少一次）和 QoS 2（僅一次）	QoS 0（至多一次）、QoS 1（至少一次）和 QoS 2（僅一次）	提供可靠的傳輸層，確定消息傳遞有序且不丢失	提供可靠的傳輸層，確定消息傳遞有序且不丢失
狀态感覺	否	是	是	是
自動發現	否	否	是	是
應用領域	物聯網、家庭自動化和 M2M 應用	工業物聯網和 M2M 應用	工業自動化	工業自動化
實時性	是	是	是	是
安全性	安全性不如 OPC-UA	安全性不如 OPC-UA	數字證書、數字簽名、資料加密和安全認證	數字證書、數字簽名、資料加密和安全認證
資訊模型	不具備内置的資訊模組化支援	支援複雜的資訊模組化，但不及 OPC UA 多	支援複雜的資訊模組化系統，允許建立複雜的資料結構和模型	支援複雜的資訊模組化系統，允許建立複雜的資料結構和模型

簡而言之，OPC UA 是一個開放标準，它包含了一套定義明确的資料類型規範。而 MQTT Sparkplug 也是一個開放标準，但它在資料類型的标準化方面做得不夠。是以，在資料傳輸過程中，MQTT Sparkplug 産生的協定開銷更小。

結語

MQTT Sparkplug 使用了輕量級的消息傳輸協定，非常适合低帶寬或不穩定的網絡環境。而 OPC UA 使用了更強大的消息傳輸協定，能夠處理更多的資料量，更适合高速和安全的網絡環境。

OPC UA 和 MQTT 之間的競争一直持續至今。目前，EMQ 正在推出針對汽車行業的 MQTT over QUIC 協定，而 OPC 基金會也釋出了 OPC UA over TSN。OPC UA over TSN 提供了一種在以太網上傳輸實時資料的标準化方法，旨在簡化複雜的工業自動化和控制系統。