一、MQTT协议

官方网址：https://mqtt.org/
官方文档：https://www.emqx.com/zh/mqtt-guide

1、简介

MQTT（MQ Telemetry Transport）是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用而设计，可以用极少的代码为联网设备提供实时可靠的消息服务。

MQTT是机器对机器(M2M)/物联网(IoT)连接协议。

2、MQTT的特点：

开放消息协议，简单容易实现
消息QoS支持，可靠传输保证（设备网络环境复杂）
发布订阅模式，一对多消息发布
基于TCP/IP网络连接，提供有序，无损，双向连接。
1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量（轻量且省带宽）
数据无关（不关心 Payload 数据格式）
有持续地会话感知能力（时刻知道设备是否在线）

3、应用场景：

MQTT 协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、智慧城市、远程医疗、电力、石油与能源等领域。

物联网M2M通信，物联网大数据采集
Android消息推送，WEB消息推送
移动即时消息，例如Facebook Messenger
智能硬件、智能家具、智能电器
车联网通信，电动车站桩采集
智慧城市、远程医疗、远程教育
电力、石油与能源等行业市场

4、MQTT 5.0 与 3.1.1

在 MQTT 3.1.1 发布并成为 OASIS 标准的四年后，MQTT 5.0 正式发布。这是一次重大的改进和升级，它的目的不仅仅是满足现阶段的行业需求，更是为行业未来的发展变化做了充足的准备。

MQTT 5.0 在 3.1.1 版本基础上增加了会话/消息延时、原因码、主题别名、用户属性、共享订阅等更加符合现代物联网应用需求的特性，提高了大型系统的性能、稳定性与可扩展性。目前，MQTT 5.0 已成为绝大多数物联网企业的首选协议，我们建议初次接触 MQTT 的开发者直接使用该版本。

MQTT v5.0现在成为了OASIS官方标准：

OASIS已经发布了官方的MQTT v5.0标准 - 这对于已经为物联网（IoT）所用的消息传输协议来说，这是一个改进和功能的巨大飞跃。基于早期的v3.1.1标准，它具有重要的更新，同时最大限度地减少与现有版本的不兼容性。

新版本的亮点包括：

更好的错误报告 - 特别是，在发布的响应中添加了原因代码（PUBACK / PUBREC）。MQTT起源于输油管道沿线的传感器等使用案例 - 如果它们的消息发布未能传输，则传感器将不采取任何措施。然而，MQTT的用例现在要广泛得多，如果数据没有成功传输，手机上的应用程序可能会想要警告用户。返回代码现在出现在所有确认中（以及包含人类可读错误诊断的可选原因字符串）。
共享订阅 - 如果订阅上的消息速率很高，则可以使用共享订阅在多个接收客户端之间对消息进行负载平衡。
消息属性 - 消息标题中的元数据。这些用于实现此列表中的其他功能，但也允许用户定义的属性，例如通过告知接收方使用哪个密钥来解密消息内容来协助消息加密
消息过期 - 如果消息无法在用户定义的时间段内传递，则可以选择丢弃消息。
会话到期 - 如果客户端未在用户定义的时间段内连接，则可以丢弃状态（例如，订阅和缓冲的消息）而无需进行清理。
主题别名 - 允许将消息中的主题字符串替换为单个数字，从而减少发布者重复使用相同主题时需要传输的字节数。
Will Delay - 如果客户端断开连接的时间超过用户定义的时间段, 则允许发布消息。允许有关重要客户端应用程序中断的通知, 而不会被误报淹没。
允许的功能发现 - 在连接开始时，可以传输最大数据包大小和（QoS> 0）消息的数量限制，以通知客户端允许执行的操作。新功能的完整列表见标准的附录C。

5、为什么 MQTT是适用于物联网的最佳协议？

在如此大规模的物联网需求下，海量的设备接入和设备管理对网络带宽、通信协议以及平台服务架构都带来了巨大的挑战。对于物联网协议来说，必须针对性地解决物联网设备通信的几个关键问题：网络环境复杂而不可靠、内存和闪存容量小、处理器能力有限。

MQTT 协议正是为了应对以上问题而创建，经过多年的发展凭借其轻量高效、可靠的消息传递、海量连接支持、安全的双向通信等优点已成为物联网行业的首选协议。

所以，随着物联网（IoT）的快速发展，MQTT协议被许多公司和开发人员广泛使用。

6、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。

二、MQTT 的工作原理

了解 MQTT 的工作原理，首先需要掌握以下几个概念：

发布-订阅模式、
MQTT Broker、
MQTT 客户端、
主题、
QoS。

1、发布-订阅模式

MQTT 基于发布订阅模式，它解耦了消息的发送方（发布者）和接收方（订阅者），引入了一个中间代理的角色来完成消息的路由和分发。

发布者和订阅者不需要知道彼此的存在，他们之间唯一的联系就是对消息的一致约定，例如消息将使用什么主题、消息将包含哪些字段等等。这让 MQTT 的通信更加灵活，因为我们可以随时动态地增加或减少订阅者和发布者。

通过发布订阅，我们可以轻易地实现消息的广播、组播和单播。

关于 MQTT 发布订阅模式的更多介绍，我们可以参考 MQTT 系列博客中的发布订阅模式介绍：https://www.emqx.com/zh/blog/mqtt-5-introduction-to-publish-subscribe-model

2、MQTT Broker

在发布消息的客户端和订阅的客户端之间充当中介，将所有接收到的消息转发到匹配的订阅客户端。所以有时我们也会直接将服务端称为 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。

3、MQTT 客户端

使用 MQTT 协议连接到 MQTT 服务端的设备或应用程序。它既可以是发布者，也可以是订阅者，也可以具备这两种身份。

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，比如：MQTTX客户端工具。

4、主题

MQTT 协议根据主题来转发消息。主题被用来标识和区分不同的消息，它是 MQTT 消息路由的基础。

发布者可以在发布时指定消息的主题，订阅者则可以选择订阅自己感兴趣的主题来接收相关的消息。

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：https://www.emqx.com/zh/blog/advanced-features-of-mqtt-topics

5、QoS

MQTT 定义了三种 QoS 等级，来分别保证在不同网络环境下的消息可靠性。每条消息都可以在发布时独立设置自己的 QoS。

QoS 0：消息最多交付一次。如果当前客户端不可用，它将丢失这条消息（消息可能丢失）；
QoS 1：消息至少交付一次，消息可以保证到达，但是可能重复；
QoS 2：消息只交付一次，消息保证到达，并且不会重复。

QoS 越大，消息的传输复杂程度也越高，我们需要根据实际场景来选择合适的 QoS。

关于 MQTT QoS 的更多详情，请参阅文章 MQTT QoS 0, 1, 2 介绍：https://www.emqx.com/zh/blog/introduction-to-mqtt-qos

三、MQTT 的工作流程

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：

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）。
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。
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。

更多信息查看官方文档。

– 求知若饥，虚心若愚。

MQTT协议简介和基本概念