MQTT介绍与使用

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of things（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。而在物联网的应用上，对于信息传输，MQTT是一种再合适不过的协议工具了。

万物联网的时代即将到来，物联网也由当初的概念开始进一步落实。随着无线网络技术飞速发展，各种设备都可以连接网络，实现远程控制。例如智能家居最近非常火爆，智能插座、智能LED灯、智能摄像头等。在互联网时代，HTTP协议负责建立网络连接，而到了物联网时代，由于智能硬件的差异，相比互联网终端，硬件配置要低的多，而且智能设备的环境也想多复杂，物联网中的数据传输会面临很多问题，比如在网络不稳定的情况下，如果保证数据的传输没有问题，如何保证数据不被重复发送，连接断开后如何进行重连，而HTTP协议由于太重量级了，不是适合物联网。因此IBM公司为此提出一种轻量级的MQTT协议（MQ Telemetry Transport），适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备、CPU、内存资源紧张，适用于各种受限的环境。

一、MQTT简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的轻量级协议，该协议构建于TCP/IP协议之上，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是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。　　

二、特性

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

　　（1）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。

　　（2）对负载内容屏蔽的消息传输。

　　（3）使用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，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

　　（4）有三种消息发布服务质量：

“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。

“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。　

　　（5）小型传输，开销很小（固定长度的头部是2字节），协议交换最小化，以降低网络流量。

三、实现方式

　　实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

　　（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；

（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

客户端Publisher发送一条消息message给MQTT Broker，发送消息时需要关联一个topic和QoS(Quality of Service)。topic指定了消息要发送给哪个主题，QoS指定了消息可靠性等级(这个在后边会讲到)。假设当前消息发给主题topic1，并且有两个客户端Subscriber分别订阅了topic1。MQTT Broker收到消息后，发现消息是发送给topic1的，于是将这份消息分别转发给它的两个订阅者。

 

MQTT的核心概念包括：

Broker，又称Server，是MQTT的服务端，负责与客户端建立连接，接收并转发消息，接收订阅和取消订阅请求等。

Client，使用MQTT协议的程序或设备，负责与Broker建立连接，发送或者接收数据，订阅主题或取消订阅。

Message，在MQTT协议中传输的数据，当消息被传输时，通常和一个主题名称(topic name)以及一个QoS(服务质量)关联起来。

 

Topic，主题有两层含义，在发布消息时，主题会和消息关联起来，告诉Broker这条消息要发给哪个主题。在订阅消息时，客户端需要告诉Broker自己对哪个主题感兴趣，一旦有消息发给这个主题，Broker会将消息发给主题的订阅者。主题支持统配符，对于使用通配符的主题，我们成为Topic Filter。

 

Publish，客户端发送消息给Broker的过程。发送消息时需要指定topic和QoS。Broker会将消息转发给订阅了该topic的其它客户端。

 

Subscribe，客户端订阅主题的过程。客户端告诉Broker，自己对某个topic感兴趣，当有其它客户端发送消息给这个topic时，Broker会转发该消息给自己。客户端可以取消订阅，这个过程称作Unsubscribe，取消订阅后，Broker不会再转发消息给当前客户端。

 

QoS，Quality of Service。消息可靠性传递的参数，有3个值，分别是：

 

0，消息只发送一次，不保证发送成功。

1，消息最少发送一次，保证发送成功。因为可能发送多次，因此接收方可能收到重复消息。

2，消息只发送一次，保证成功。接收方不会接到重复消息。

发送消息时，可以指定QoS，如果QoS>0，那么消息一定会发到Broker。订阅主题时，也可以指定QoS，如果QoS>0，那么Broker一定会将消息发给订阅者，不会丢失。这里要要注意，消息从发布者到订阅者，是分两步走的，第一步有发布者发布到MQTT Broker，第二步是MQTT Broker转发消息到订阅者。所以只有当发布消息时，指定QoS>0，并且订阅主题时，QoS>0，消息才能可靠的从发布客户端发送到订阅客户端端。

消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型：

CONNECT：客户端连接到MQTT代理

CONNACK：连接确认

PUBLISH：新发布消息

PUBACK：新发布消息确认，是QoS 1给PUBLISH消息的回复

PUBREC：QoS 2消息流的第一部分，表示消息发布已记录

PUBREL：QoS 2消息流的第二部分，表示消息发布已释放

PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分，表示消息发布完成

SUBSCRIBE：客户端订阅某个主题

SUBACK：对于SUBSCRIBE消息的确认

UNSUBSCRIBE：客户端终止订阅的消息

UNSUBACK：对于UNSUBSCRIBE消息的确认

PINGREQ：心跳

PINGRESP：确认心跳

DISCONNECT：客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理

应用领域：遥感数据、汽车、智能家居、智慧城市、医疗医护

 

更详细资料见链接：https://docs.emqx.io/broker/latest/cn/