基于MQTT协议的车云通信设计

随着智能汽车的发展，车云通信的功能场景及数据量也逐渐增多，具有轻量化、可靠性等特点的MQTT协议成为很多OEM车云通信协议的选择。本文主要介绍。

什么是MQTT？

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是由OASIS发布的应用层协议，采用订阅/发布的通信模式，下层基于TCP/IP进行传输。该标准在工业物联网、车联网等领域有广泛应用。

MQTT主要有以下特点：

发布/订阅模式：实现Client之间的解耦

轻量：非常小的通信开销，最小的消息大小为2字节

可靠：基于TCP可靠通信，并可以提供三种消息发布服务质量等级QoS，以适应不稳定网络的传输需求

开源：存在较多开源代码工程，支持各种流行编程语言，成熟度高

MQTT在通信过程中包括两种角色Client和Broker：

Client：MQTT客户端，交互应用数据的节点，发布数据的角色为Publisher，接收数据的角色为Subscriber

Broker：MQTT服务器，中转通信数据，将从Publisher收到的应用数据转发给Subscriber

MQTT的通信过程：Subscriber向Broker以Topic的形式订阅数据，Publisher以Topic的形式向Broker发布应用数据，Broker接收Publisher发送的Topic后，再发送给已订阅相关Topic的Subscriber，如此实现Publisher和Subscriber的通信过程。

图1 MQTT通信示意图

MQTT系统设计

MQTT协议在车载通信领域的典型应用场景是车云通信，因此本文以车内节点与云端的通信场景为示例，介绍MQTT系统设计的主要流程和方法。

图2 MQTT系统设计流程

MQTT系统设计需要依赖前期完成的车云UC（Use Case）描述、通信矩阵、车内拓扑以及云端架构部署等作为输入，针对MQTT的特点，完成通信设计，主要输出产物为基于特定车型或平台的MQTT通信矩阵。车端和云端的开发工程师需要根据设计输出产物，完成相关功能的软件开发，测试工程师也需要以设计输出为基础，开展MQTT测试验证工作。

MQTT通信系统设计涉及以下方面：

MQTT角色设计：基于功能需求为通信节点部署角色

Topic设计：明确Topic定义和数量

数据类型设计：为每个Topic指定传输信息

QoS设计：为Topic匹配QoS策略

MQTT角色定义

基于MQTT协议的特点，需要首先明确车云通信拓扑中各节点的MQTT角色。

由于各节点间需要交互的数据均需要经过Broker，因此一般将性能较好的云端的服务器部署为Broker，车内需要与云端通信的节点为Client，云端后台/APP等节点为Client。

图3 MQTT角色部署

Topic设计

MQTT系统内各节点用Topic来交互应用数据，Topic的划分可以从数据内容或者功能角度划分，例如车况上传的数据在一个Topic，远程车辆控制的数据在一个Topic。

除此之外，MQTT的Topic名称设计也应遵循一定的原则，例如：命名长度不应超过65535 Bytes，建议采用统一的命名规则，并且按照分级符“/”进行层级划分。例如针对某平台的车况上传数据，其Topic可设计为：{vehicle_platform}/{vehicle_model}/{ECU}/vehicle_info/{vin}/up 。

数据类型设计

MQTT协议单帧报文支持的最大传输数据为256M Bytes，因此一次性传输需求超过该大小的数据不适合采用MQTT进行传输。

MQTT数据格式没有严格定义，只要收发双方采用统一的编码/解码规则即可，常采用JSON数据格式，需要传输的应用数据信息，用“key-value”进行描述，key的定义以及value的数据类型需要参考车内的通信矩阵，可以保持一致。

使用JSON格式的好处是只要求数据收发双方对同一个key的理解是一致的，对“key-value”组合的排布顺序无严格要求，如果有扩展需求，可以直接添加“key-value”组合定义，并且“key-value”组合是可选的，按照时间/事件情况选择发送/不发生即可，无需额外制定协议层策略，兼容性和灵活性较高。

图4 Topic数据定义

QoS设计

MQTT具备QoS策略以保证不同情况下的通信服务质量，因此需要根据功能场景需求为不同的数据Topic设计匹配的QoS策略，整体原则如下：

对于实时性要求较高，且允许一定程度丢帧的场景，QoS推荐设计为0，例如用于实时显示用的周期上传的数据

对于不允许丢帧、可重复传输的场景，QoS推荐为1，例如反馈云端下发指令是否正常接收的信号

对于具有严格传输需求（不允许丢帧、不允许重复传输）的场景，QoS推荐为2，例如安全相关的数据

总结

本文首先介绍了MQTT协议，再从MQTT角色设计、Topic设计、数据类型设计、QoS设计几个方面出发，介绍MQTT系统设计流程和方法，车端ECU及云端的开发工程师需要根据MQTT系统设计的输出完成后续软件开发，实现车云功能的通信。

经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术的工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。