基于MQTT的SCADA系统独特之处在于不负责与设备建立和保持连接，而这是多数现有传统请求-响应设备协议需要做的。在MQTT系统中，应用、设备都与MQTT服务器建立MQTT会话，从而解除了应用与设备之间的耦合。其他的MQTT客户端可以连接和订阅任何实时数据，而不影响核心SCADA主机应用。
鉴于实时SCADA方案特点，核心SCADA主机和所有连接的MQTT 边缘节点互相掌握对方的MQTT会话状态信息非常重要。为达到这个目的，Sparkplug主题名定义了上线/下线消息和负载，为SCADA主应用MQTT客户端和关联节点MQTT客户端提供状态和上下文。在大多数情况下，这样“设计”核心SCADA主机主要有两个原因：
- 只允许主应用向终端设备发送命令；
- 在高可用性和冗余场景中会使用多个MQTT服务器，MQTT 边缘节点需要获悉主应用是否连接了每个MQTT服务器。如果主应用状态表明边缘节点连接的MQTT服务器主应用没有连接，那么边缘节点应该转到下一台MQTT服务器，那里主应用的状态为“ONLINE”。
8.1 主应用会话建立
主应用在启动或重连时，会马上尝试与MQTT服务器建立MQTT主机会话。须知，主机会话与其他MQTT客户端会话不是同时建立的，如果边缘节点已经连接MQTT服务器，主应用会与它们同步，否则，主应用会在收到它们上线消息时注册它们。
图 3 主机会话建立
如图 3 主机会话建立为非常简单的单MQTT服务器拓扑，会话图中的步骤如下：
- 主应用尝试使用MQTT CONNECT包(参见MQTT V3.1规范3.1节)创建MQTT会话。CONNECT控制包的遗嘱主题和遗嘱负载保存下线信息，遗嘱QoS为1，遗嘱Retain为真。MQTT CONNECT包由一个有效的CONNACT包确认成功，此后一旦主应用MQTT客户端与MQTT服务器连接丢失，MQTT服务器就分发主机下线消息。
- MQTT会话建立后，主应用发布一条新状态消息，即7.5.1节定义的SCADA/IIoT上线消息。此时，主应用可以更新主应用中的MQTT客户端测点当前状态为在线。
- MQTT会话建立后，主应用上线状态已发布，主应用发起对预定义Sparkplug主题名的订阅，至此，主应用已准备好接收连接的边缘节点发布的MQTT消息。由于主应用也依赖与MQTT服务器的MQTT会话，服务器可用性也作为主应用的MQTT客户端度量点进行监视。
- 如果主应用与MQTT服务器失去连接，服务器的在线状态立刻反应到主应用MQTT客户端测点上，所有与该MQTT服务器连接的边缘节点关联的测点，其数据质量更新为“STALE”。
8.2 边缘节点会话建立
边缘节点在提供连接设备的信息之前，必须先建立MQTT会话。大部分实时SCADA的MQTT 边缘节点会保存与MQTT服务器的持久MQTT会话，但也有MQTT会话不需要持久化的情况。无论如何，边缘节点任何时候都可以建立MQTT会话，与其他MQTT客户端完全异步，唯一的例外是当有多个MQTT服务器和一个核心主机应用时。
图 4 边缘节点MQTT会话建立
如图 4 边缘节点MQTT会话建立 为非常简单的单MQTT服务器拓扑，会话图中的步骤如下：
- 边缘节点MQTT客户端尝试使用MQTT CONNECT包(参见MQTT V3.1规范3.1节)创建与MQTT服务器的MQTT会话，CONNECT包的遗嘱主题和遗嘱负载保存下线信息，格式定义在7.1边缘节点下线(NDEATH)。MQTT CONNECT包由一个有效的CONNACT包确认成功，此后一旦MQTT客户端与MQTT服务器连接丢失，MQTT服务器就分发边缘节点下线消息给订阅者。
- 对NCMD主题的订阅确保从主应用到边缘节点的消息能够分发，对DCMD的订阅确保从核心主机应用到设备的消息能够分发。在多MQTT服务器和指定主应用的场景中，对状态的订阅通知边缘节点核心SCADA/IIoT主机的当前状态，这样，边缘节点就圆满完成了与主应用建立有效MQTT会话的步骤。
- MQTT会话建立后，边缘节点MQTT客户端发布应用级NBIRTH消息，定义在7.1.2边缘节点上线(NBIRTH)。此时，主应用有了建立边缘节点测点树的全部信息，将边缘节点显示为“在线”状态。
- 如果边缘节点MQTT客户端与MQTT服务器失去连接，MQTT服务器发布该边缘节点的下线消息，收到该消息后，主应用设置该边缘节点为“离线”状态，更新连接的时间戳，相关测点数据质量设置为“STALE”。
8.3 MQTT设备会话建立
Sparkplug规范用来从测量、监视和控制物理过程的现存和新的终端设备中，获得实时过程变量信息给MQTT消息中间件和主应用工业物联网平台。本文中的MQTT设备代表从传统请求-响应驱动的PLC、RTU、HART智能变送器等，到内置标准MQTT客户端的新一代自动化和仪表设备。
前面章节详述了主应用如何与MQTT服务器，以及MQTT服务器如何与MQTT 边缘节点交互。不过，这些技术需求很大程度上已经由MQTT提供了，应用层面的主要精力会放在本地设备与边缘节点API之间的Sparkplug规范实现上。
为了从智能设备获取和发布测点，以下简化流程图概述了需求：
图 5 MQTT设备会话建立
如图 5 MQTT设备会话建立的会话流程图，显示了一个由主应用、MQTT服务器、MQTT 边缘节点等Sparkplug要素构成的简单拓扑。会话流程图中的步骤定义如下：
- 假设存在MQTT 服务器。
- 假设主应用与MQTT服务器建立了MQTT会话。
- MQTT 边缘节点的会话建立见8.2边缘节点会话建立，本流程图假设边缘节点与主应用之间的会话已经建立。根据目标平台，边缘节点可能是物理“网络边缘”网关设备，通过Modbus、AB、DNP0、HART等协议轮询传统设备，自带MQTT功能的传感器或设备，也可能是运行Eclipse Tahu 边缘节点原型实现的树莓派。不管哪种类型，设备接口都要提供状态和相关测点用来做MQTT发布。
- 流程图中状态#4表示，设备已经准备好向MQTT 边缘节点报告该设备的、Sparkplug定义的全部测点信息，边缘节点负责将此信息作为7.3.1设备上线(DBIRTH)消息的负载后发布，收到设备上线消息后，主应用能够构造出测点树。
- 根据章节7.4设备数据(DDATA)，后续测点数据都是基于变化通知(RBE)用DDATA消息格式发布给主应用的。
- 一旦设备不能提供实时信息，MQTT 边缘节点规范要求发布DDEATH，通知主应用所有测点数据质量置为“STALE”。
8.4 一般MQTT应用和非主应用
如前所述，系统中主应用实例有权向节点和设备发送命令，所有边缘节点需要与主应用连接到相同MQTT服务器，否则节点就要转向另一服务器，这两项是任务关键型SCADA系统的已知需求。
但不同于传统SCADA系统实现，通过MQTT网络发布的实时过程变量信息，其他MQTT客户端也可以全部或按需获取。
主应用MQTT客户端和其他客户端唯一区别是非主客户端不发布上线/下线消息。
链接：
0. 目录
7. Sparkplug MQTT消息类型