MQTT协议

什么是 MQTT？

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级、基于发布-订阅模式的消息传输协议，适用于资源受限的设备和低带宽、高延迟或不稳定的网络环境。它在物联网应用中广受欢迎，能够实现传感器、执行器和其它设备之间的高效通信。

MQTT 与其他协议对比

MQTT vs HTTP

• MQTT 的最小报文仅为 2 个字节，比 HTTP 占用更少的网络开销。
• MQTT 与 HTTP 都能使用 TCP 连接，并实现稳定、可靠的网络连接。
• MQTT 基于发布订阅模型，HTTP 基于请求响应，因此 MQTT 支持双工通信。
• MQTT 可实时推送消息，但 HTTP 需要通过轮询获取数据更新。
• MQTT 是有状态的，但是 HTTP 是无状态的。
• MQTT 可从连接异常断开中恢复，HTTP 无法实现此目标。

MQTT vs XMPP

MQTT 协议设计简单轻量、路由灵活，将在移动互联网、物联网消息领域，全面取代 PC 时代的 XMPP 协议。

• MQTT 报文体积小且编解码容易，XMPP 基于繁重的 XML，报文体积大且交互繁琐。
• MQTT 基于发布订阅模式，相比 XMPP 基于 JID 的点对点消息路由更为灵活。
• MQTT 支持 JSON、二进制等不同类型报文。XMPP 采用 XML 承载报文，二进制必须 Base64 编码等处理。
• MQTT 通过 QoS 保证消息可靠传输，XMPP 主协议并未定义类似机制。

MQTT 的工作原理

MQTT 客户端

任何运行 MQTT 客户端库的应用或设备都是 MQTT 客户端。例如，使用 MQTT 的即时通讯应用是客户端，使用 MQTT 上报数据的各种传感器是客户端，各种 MQTT 测试工具也是客户端。

MQTT Broker

MQTT Broker 是负责处理客户端请求的关键组件，包括建立连接、断开连接、订阅和取消订阅等操作，同时还负责消息的转发。一个高效强大的 MQTT Broker 能够轻松应对海量连接和百万级消息吞吐量，从而帮助物联网服务提供商专注于业务发展，快速构建可靠的 MQTT 应用。

关于 MQTT Broker 的更多详情，请参阅文章 2023 年最全面的 MQTT Broker 比较指南。

发布-订阅模式

发布-订阅模式与客户端-服务器模式的不同之处在于，它将发送消息的客户端（发布者）和接收消息的客户端（订阅者）进行了解耦。发布者和订阅者之间无需建立直接连接，而是通过 MQTT Broker 来负责消息的路由和分发。

下图展示了 MQTT 发布/订阅过程。温度传感器作为客户端连接到 MQTT Broker，并通过发布操作将温度数据发布到一个特定主题（例如 Temperature）。MQTT Broker 接收到该消息后会负责将其转发给订阅了相应主题（Temperature）的订阅者客户端。

主题

MQTT 协议根据主题来转发消息。主题通过 / 来区分层级，类似于 URL 路径，例如：

chat/room/1

sensor/10/temperature

sensor/+/temperature

MQTT 主题支持以下两种通配符：+ 和 #。

• +：表示单层通配符，例如 a/+ 匹配 a/x或 a/y。
• #：表示多层通配符，例如 a/# 匹配 a/x、a/b/c/d。

***注意***：通配符主题只能用于订阅，不能用于发布。

关于 MQTT 主题的更多详情，请参阅文章通过案例理解 MQTT 主题与通配符。

QoS

MQTT 提供了三种服务质量（QoS），在不同网络环境下保证消息的可靠性。

• QoS 0：消息最多传送一次。如果当前客户端不可用，它将丢失这条消息。
• QoS 1：消息至少传送一次。
• QoS 2：消息只传送一次。

关于 MQTT QoS 的更多详情，请参阅文章 MQTT QoS 0, 1, 2 介绍。

MQTT 的工作流程

在了解了 MQTT 的基本组件之后，让我们来看看它的一般工作流程：

1. 客户端使用 TCP/IP 协议与 Broker 建立连接，可以选择使用 TLS/SSL 加密来实现安全通信。客户端提供认证信息，并指定会话类型（Clean Session 或 Persistent Session）。
2. 客户端既可以向特定主题发布消息，也可以订阅主题以接收消息。当客户端发布消息时，它会将消息发送给 MQTT Broker；而当客户端订阅消息时，它会接收与订阅主题相关的消息。
3. MQTT Broker 接收发布的消息，并将这些消息转发给订阅了对应主题的客户端。它根据 QoS 等级确保消息可靠传递，并根据会话类型为断开连接的客户端存储消息。