一文讀懂物聯(lián)網(wǎng)中的MQTT協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)曾被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，信息技術(shù)行業(yè)的第三次浪潮。隨著基礎(chǔ)通訊設(shè)施的不斷完善，尤其是 5G 的出現(xiàn)，進(jìn)一步降低了萬物互聯(lián)的門檻和成本。物聯(lián)網(wǎng)本身也是 AI 和區(qū)塊鏈應(yīng)用很好的落地場景之一，各大云服務(wù)商也在紛紛上架物聯(lián)網(wǎng)平臺和服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)通訊是物聯(lián)網(wǎng)的一個核心內(nèi)容，目前物聯(lián)網(wǎng)的通訊協(xié)議并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的有MQTT、CoAP、DDS、XMPP 等，在這其中，MQTT（消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議）應(yīng)該是應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，MQTT 已逐漸成為 IoT 領(lǐng)域最熱門的協(xié)議，也是國內(nèi)外各大物聯(lián)網(wǎng)平臺最主流的傳輸協(xié)議，阿里云 IoT 物聯(lián)網(wǎng)平臺很多設(shè)備都是通過 MQTT 接入。

1、MQTT 簡介

《MQTT 協(xié)議規(guī)范中文版》一書中對 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸）進(jìn)行了描述：

MQTT 是一種基于客戶端服務(wù)端架構(gòu)的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議。它的設(shè)計(jì)思想是輕巧、開放、簡單、規(guī)范，易于實(shí)現(xiàn)。這些特點(diǎn)使得它對很多場景來說都是很好的選擇，特別是對于受限的環(huán)境如機(jī)器與機(jī)器的通信（M2M）以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境（IoT）。----MQTT 協(xié)議中文版

與HTTP 協(xié)議一樣，MQTT 協(xié)議也是應(yīng)用層協(xié)議，工作在 TCP/IP 四層模型中的最上層（應(yīng)用層），構(gòu)建于 TCP/IP協(xié)議上。MQTT 最大優(yōu)點(diǎn)在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。

如今，MQTT 成為了最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，已廣泛應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、即時聊天應(yīng)用和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。目前通過 MQTT 協(xié)議連接的設(shè)備已經(jīng)過億，這些都得益于 MQTT 協(xié)議為設(shè)備提供了穩(wěn)定、可靠、易用的通信基礎(chǔ)。

2、MQTT 的主要特性

MQTT 協(xié)議是為工作在低帶寬、不可靠網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備之間的通訊而設(shè)計(jì)的協(xié)議，它具有以下主要的幾項(xiàng)特性：

①、使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合。

②、基于 TCP/IP 提供網(wǎng)絡(luò)連接。主流的 MQTT 是基于 TCP 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)推送的，但是同樣也有基于 UDP 的版本，叫做 MQTT-SN。

③、支持 QoS 服務(wù)質(zhì)量等級。根據(jù)消息的重要性不同設(shè)置不同的服務(wù)質(zhì)量等級。

④、小型傳輸，開銷很小，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量。這就是為什么在介紹里說它非常適合"在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，傳感器與服務(wù)器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式設(shè)備的運(yùn)算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協(xié)議來傳遞消息再適合不過了，在手機(jī)移動應(yīng)用方面，MQTT 是一種不錯的 Android 消息推送方案。

⑤、使用 will 遺囑機(jī)制來通知客戶端異常斷線。

⑥、基于主題發(fā)布/訂閱消息，對負(fù)載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸。

⑦、支持心跳機(jī)制。

3、MQTT 歷史

MQTT 協(xié)議最初版本是在 1999 年建立的，該協(xié)議的發(fā)明人是的 Andy Stanford-Clark 和 Arlen Nipper。

MQTT 最初是用于石油管道的傳感器與衛(wèi)星之間數(shù)據(jù)傳輸。他們當(dāng)時正在開發(fā)一個利用衛(wèi)星通訊監(jiān)控輸油管道的項(xiàng)目，為了實(shí)現(xiàn)這個項(xiàng)目要求，他們需要開發(fā)一種用于嵌入式設(shè)備的通訊協(xié)議，這種通訊協(xié)議必須滿足以下條件：

易于實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器必須要實(shí)現(xiàn)成千上萬個客戶端的接入

數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量可控，根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性和特性，設(shè)置不同等級的服務(wù)質(zhì)量

占用帶寬小，單次數(shù)據(jù)量小，但不能出錯

必須能夠適應(yīng)高延遲、掉線、斷網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信不可靠的風(fēng)險

設(shè)備連接狀態(tài)可知，云端與設(shè)備端保持長連接

通過以上幾個條件可知：

MQTT 服務(wù)器可以連接大量的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備，與遠(yuǎn)程客戶端保持長連接，具有一定的實(shí)時性。

云端向設(shè)備端發(fā)送消息，設(shè)備端可以在最短的時間內(nèi)接收到并作出回應(yīng)。

MQTT 更適合需要實(shí)時控制的場合，尤其適合執(zhí)行器。

云端與客戶端需要保持長連接，要能夠獲取到設(shè)備的連接狀態(tài)，就需要時不時地發(fā)送心跳包，這就不會省電，所以，MQTT 并不適合低功耗場合。

可以看出，MQTT 從誕生之初就是專為低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的。雖然歷經(jīng)幾十年的更新和變化，以上這些特點(diǎn)仍然是 MQTT 協(xié)議的核心特點(diǎn)。但是與最初不同的是，MQTT 協(xié)議已經(jīng)從嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用拓展到開放的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域。

4、MQTT 版本

目前 MQTT 主流版本有兩個，分別是 MQTT3.1.1 和 MQTT5。MQTT3.1.1 是在 2014 年 10 月發(fā)布的，而 MQTT5 是在 2019 年 3 月發(fā)布的。雖然 MQTT3.1.1 與 MQTT5 在時間相差了將近五年，但是 MQTT3.1.1作為一個經(jīng)典的版本，目前仍然是主流版本，能夠滿足大部分實(shí)際需求。

MQTT5 是在 MQTT3.1.1 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級，因此 MQTT5 是完全兼容 MQTT3.1.1 的。而 MQTT5 是 在 MQTT3.1.1 的基礎(chǔ)上添加了更多的功能、補(bǔ)充完善 MQTT 協(xié)議。

5、MQTT 協(xié)議

MQTT 是一種基于客戶端-服務(wù)端架構(gòu)（C/S）的消息傳輸協(xié)議，所以在 MQTT 協(xié)議通信中，有兩個最為重要的角色，它們便是服務(wù)端和客戶端。

1）服務(wù)端

MQTT 服務(wù)端通常是一臺服務(wù)器（broker），它是 MQTT 信息傳輸?shù)臉屑~，負(fù)責(zé)將 MQTT 客戶端發(fā)送來的信息傳遞給 MQTT 客戶端；MQTT 服務(wù)端還負(fù)責(zé)管理 MQTT 客戶端，以確保客戶端之間的通訊順暢，保證 MQTT 信息得以正確接收和準(zhǔn)確投遞。

2）客戶端

MQTT 客戶端可以向服務(wù)端發(fā)布信息，也可以從服務(wù)端收取信息；我們把客戶端發(fā)送信息的行為稱為“發(fā)布”信息。而客戶端要想從服務(wù)端收取信息，則首先要向服務(wù)端“訂閱”信息?！坝嗛啞毙畔⑦@一操作很像我們在使用微信時“關(guān)注”了某個公眾號，當(dāng)公眾號的作者發(fā)布新的文章時，微信官方會向關(guān)注了該公眾號的所有用戶發(fā)送信息，告訴他們有新文章更新了，以便用戶查看。

3）MQTT 主題

上面我們講到了，客戶端想要從服務(wù)器獲取信息，首先需要訂閱信息，那客戶端如何訂閱信息呢？這里我們要引入“主題（Topic）”的概念，“主題”在 MQTT 通信中是一個非常重要的概念，客戶端發(fā)布信息以及訂閱信息都是圍繞“主題”來進(jìn)行的，并且 MQTT 服務(wù)端在管理 MQTT 信息時，也是使用“主題”來控制的。

客戶端發(fā)布消息時需要為消息指定一個“主題”，表示將消息發(fā)布到該主題；而對于訂閱消息的客戶端來說，可通過訂閱“主題”來訂閱消息，這樣當(dāng)其它客戶端或自己（當(dāng)前客戶端）向該主題發(fā)布消息時，MQTT 服務(wù)端就會將該主題的信息發(fā)送給該主題的訂閱者（客戶端）。

服務(wù)端如何通過“主題”來控制客戶端之間的信息通訊，看下圖實(shí)例：

在以上圖示中一共有三個 MQTT 客戶端，它們分別是開發(fā)板、手機(jī)和電腦。MQTT 服務(wù)端在管理 MQTT通信時使用了“主題”來對信息進(jìn)行管理。

比如上圖所示，假設(shè)我們需要利用手機(jī)和電腦獲取開發(fā)板在運(yùn)行過程中 SoC 芯片的溫度，那么首先電腦和手機(jī)這兩個客戶端需要向 MQTT 服務(wù)器訂閱主題“芯片溫度”；接下來，當(dāng)開發(fā)板客戶端向服務(wù)端的“芯片溫度”主題發(fā)布信息（假設(shè)信息的內(nèi)容就是當(dāng)前的溫度值）后，服務(wù)端就會首先檢查都有哪些客戶端訂閱了“芯片溫度”這一主題的信息，而當(dāng)它發(fā)現(xiàn)訂閱了該主題的客戶端有一個手機(jī)和一個電腦，于是服務(wù)端就會將剛剛收到的“芯片溫度”信息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱了該主題的手機(jī)和電腦客戶端。

通過以上的這種實(shí)例，手機(jī)和電腦便可以獲取到開發(fā)板運(yùn)行時 SoC 芯片的溫度值。

以上實(shí)例中，開發(fā)板是“芯片溫度”主題的發(fā)布者，而手機(jī)和電腦則是該主題的訂閱者。

值得注意的是，MQTT 客戶端在通信時，角色往往不是單一的，一個客戶端既可以作為信息發(fā)布者也可以同時作為信息訂閱者。如下圖所示：

上圖中的所有客戶端都是圍繞“LED 控制”這一主題進(jìn)行通信。此時，對于“LED 控制”這一主題來說，手機(jī)和電腦客戶端成為了 MQTT 信息的發(fā)布者而開發(fā)板則成為了 MQTT 信息的訂閱者（接收者）。

所以由此可知，針對不同的主題，MQTT 客戶端可以切換自己的角色，它們可能對主題 A 來說是信息發(fā)布者，但是對于主題 B 就成了信息訂閱者，所以一個 MQTT 客戶端它的角色并不是固定的，所以大家一定要理解“主題”這個概念。

4）MQTT 發(fā)布/訂閱特性

從以上實(shí)例我們可以看到，MQTT 通信的核心樞紐是 MQTT 服務(wù)端，它負(fù)責(zé)將 MQTT 客戶端發(fā)送來的信息傳遞給 MQTT 客戶端，還負(fù)責(zé)管理 MQTT 客戶端，以確?？蛻舳酥g的通訊順暢，保證 MQTT 信息得以正確接收和準(zhǔn)確投遞。

正是因?yàn)橛辛朔?wù)端對 MQTT 信息的接收、儲存、處理和發(fā)送，客戶端在發(fā)布和訂閱信息時，可以相互獨(dú)立、且在空間上可以分離、時間上可以異步，這就是 MQTT 發(fā)布/訂閱的特性：客戶端相互獨(dú)立、空間上可分離、時間上可異步，具體介紹如下：

客戶端相互獨(dú)立：MQTT 客戶端是一個個獨(dú)立的個體，它們無需了解彼此的存在，依然可以實(shí)現(xiàn)信息交流。

空間上分離：空間上分離相對容易理解，MQTT 客戶端以及 MQTT 服務(wù)端它們在通信時是處于同一個通信網(wǎng)絡(luò)中的，這個網(wǎng)絡(luò)可以是互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)；只要客戶端聯(lián)網(wǎng)，無論他們遠(yuǎn)在天邊還是近在眼前，都可以實(shí)現(xiàn)彼此間的通訊交流；其實(shí)網(wǎng)絡(luò)通信本就是如此，所以并不是 MQTT 通信所特有的。

時間上可異步：MQTT 客戶端在發(fā)送和接收信息時無需同步。這一特點(diǎn)對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備尤為重要，前面我們也介紹了，MQTT 從誕生之初就是專為低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，高延遲和不可靠網(wǎng)絡(luò)必然就會導(dǎo)致時間上的異步；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生意外掉線是非常正常的情況。

6、總結(jié)

向大家介紹了 MQTT 通信的基本原理，在 MQTT 通信中，1 個服務(wù)端、多個客戶端之間圍繞“主題”進(jìn)行了通信，所以重要在于大家需要理解各個客戶端的相互關(guān)系以及服務(wù)端在其中所起的作用，并且理解“主題”這個概念以及 MQTT 發(fā)布/訂閱模式的特性，后面向大家介紹具體的通信過程時，要迅速的反應(yīng)過來。

注意：對于 MQTT 發(fā)布/訂閱模式的特性，我們總結(jié)的幾個特點(diǎn)中都有一個“可”字。這個“可”字意味著客戶端彼此之間可以獨(dú)立，空間可以分離，時間可以異步。在我們實(shí)際應(yīng)用中，客戶端之間的關(guān)系既可以獨(dú)立也可以相互依存。在空間上，既可以相距甚遠(yuǎn)，也可以彼此相鄰。在時間上，既可以異步也可以同步。這個“可”字所體現(xiàn)的是 MQTT 通訊的靈活性。

審核編輯：劉清