了解 MQTT协议

今天被安排去调研EMQX的服务部署，然后看到官网介绍MQTT，咋越看越眼熟啥的。那还是自己主动去了解一下子吧，MQTT原来是物联网比较主流的通讯协议，阿里云 IoT 物联网平台很多设备都是通过 MQTT 接入。

MQTT 简介

MQTT 是一种基于客户端服务端架构的发布/订阅模式的消息传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，易于实现。这些特点使得它对很多场景来说都是很好的选择，特别是对于受限的环境如机器与机器的通信（M2M）以及物联网环境（IoT）

与 HTTP 协议一样，MQTT 协议也是应用层协议，工作在 TCP/IP 四层模型中的最上层（应用层），构建于 TCP/IP协议上。MQTT 最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

MQTT 的主要特性

MQTT 协议是为工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备之间的通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
基于 TCP/IP 提供网络连接。主流的 MQTT 是基于 TCP 连接进行数据推送的，但是同样也有基于 UDP 的版本，叫做 MQTT-SN。
支持 QoS 服务质量等级。根据消息的重要性不同设置不同的服务质量等级。
小型传输，开销很小，协议交换最小化，以降低网络流量。这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了，在手机移动应用方面，MQTT 是一种不错的 Android 消息推送方案。
使用 will 遗嘱机制来通知客户端异常断线。
基于主题发布/订阅消息，对负载内容屏蔽的消息传输。
支持心跳机制。

MQTT 版本

前 MQTT 主流版本有两个，分别是 MQTT3.1.1和 MQTT5。

MQTT3.1.1

在 2014 年 10 月发布的

MQTT5

在 2019 年 3 月发布的。

虽然 MQTT3.1.1 与 MQTT5在时间相差了将近五年，但是 MQTT3.1.1作为一个经典的版本，目前仍然是主流版本，能够满足大部分实际需求。

MQTT5 是在 MQTT3.1.1 的基础上进行了升级，因此 MQTT5 是完全兼容 MQTT3.1.1 的。

而 MQTT5 是在 MQTT3.1.1 的基础上添加了更多的功能、补充完善 MQTT 协议。

MQTT 协议

MQTT 是一种基于客户端-服务端架构（C/S）的消息传输协议，所以在 MQTT 协议通信中，有两个最为重要的角色，它们便是服务端和客户端。

服务端

MQTT 服务端通常是一台服务器（broker），它是 MQTT 信息传输的枢纽，负责将 MQTT 客户端发送来的信息传递给 MQTT 客户端；MQTT 服务端还负责管理 MQTT 客户端，以确保客户端之间的通讯顺畅，保证 MQTT 信息得以正确接收和准确投递。

客户端

MQTT 客户端可以向服务端发布信息，也可以从服务端收取信息；我们把客户端发送信息的行为称为 “发布”信息。

而客户端要想从服务端收取信息，则首先要向服务端“订阅”信息。

“订阅”信息这一操作很像我们在使用微信时“关注”了某个公众号，当公众号的作者发布新的文章时，微信官方会向关注了该公众号的所有用户发送信息，告诉他们有新文章更新了，以便用户查看。

MQTT 主题

上面我们讲到了，客户端想要从服务器获取信息，首先需要订阅信息，那客户端如何订阅信息呢？这里我们要引入“主题（Topic）”的概念，“主题”在 MQTT 通信中是一个非常重要的概念，客户端发布信息以及订阅信息都是围绕“主题”来进行的，并且 MQTT 服务端在管理 MQTT 信息时，也是使用“主题”来控制的。

客户端发布消息时需要为消息指定一个“主题”，表示将消息发布到该主题；而对于订阅消息的客户端来说，可通过订阅“主题”来订阅消息，这样当其它客户端或自己（当前客户端）向该主题发布消息时，MQTT 服务端就会将该主题的信息发送给该主题的订阅者（客户端）。

服务端如何通过“主题”来控制客户端之间的信息通讯，看下图实例：

在以上图示中一共有三个 MQTT 客户端，它们分别是开发板、手机和电脑。MQTT 服务端在管理 MQTT通信时使用了“主题”来对信息进行管理。

比如上图所示，假设我们需要利用手机和电脑获取开发板在运行过程中 SoC 芯片的温度，那么首先电脑和手机这两个客户端需要向 MQTT 服务器订阅主题“芯片温度”；接下来，当开发板客户端向服务端的“芯片温度”主题发布信息（假设信息的内容就是当前的温度值）后，服务端就会首先检查都有哪些客户端订阅了“芯片温度”这一主题的信息，而当它发现订阅了该主题的客户端有一个手机和一个电脑，于是服务端就会将刚刚收到的“芯片温度”信息转发给订阅了该主题的手机和电脑客户端。

通过以上的这种实例，手机和电脑便可以获取到开发板运行时 SoC 芯片的温度值。

以上实例中，开发板是“芯片温度”主题的发布者，而手机和电脑则是该主题的订阅者。

值得注意的是，MQTT 客户端在通信时，角色往往不是单一的，一个客户端既可以作为信息发布者也可以同时作为信息订阅者。如下图所示：

上图中的所有客户端都是围绕“LED 控制”这一主题进行通信。此时，对于“LED 控制”这一主题来说，手机和电脑客户端成为了 MQTT 信息的发布者而开发板则成为了 MQTT 信息的订阅者（接收者）。

所以由此可知，针对不同的主题，MQTT 客户端可以切换自己的角色，它们可能对主题 A 来说是信息发布者，但是对于主题 B 就成了信息订阅者，所以一个 MQTT 客户端它的角色并不是固定的，所以大家一定要理解“主题”这个概念。

MQTT 发布/订阅特性

MQTT 通信的核心枢纽是 MQTT 服务端，它负责将 MQTT 客户端发送来的信息传递给 MQTT 客户端，还负责管理 MQTT 客户端，以确保客户端之间的通讯顺畅，保证 MQTT 信息得以正确接收和准确投递。

正是因为有了服务端对 MQTT 信息的接收、储存、处理和发送，客户端在发布和订阅信息时，可以相互独立、且在空间上可以分离、时间上可以异步，这就是 MQTT 发布/订阅的特性：客户端相互独立、空间上可分离、时间上可异步，具体介绍如下：

客户端相互独立：MQTT 客户端是一个个独立的个体，它们无需了解彼此的存在，依然可以实现信息交流。
空间上分离：空间上分离相对容易理解，MQTT 客户端以及 MQTT 服务端它们在通信时是处于同一个通信网络中的，这个网络可以是互联网或者局域网；只要客户端联网，无论他们远在天边还是近在眼前，都可以实现彼此间的通讯交流；其实网络通信本就是如此，所以并不是 MQTT 通信所特有的。
时间上可异步：MQTT 客户端在发送和接收信息时无需同步。这一特点对物联网设备尤为重要，前面我们也介绍了，MQTT 从诞生之初就是专为低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计的，高延迟和不可靠网络必然就会导致时间上的异步；物联网设备在运行过程中发生意外掉线****是非常正常的情况。

参考：嵌入式Linux系统开发公众号文章：一文带你了解 MQTT