第一章：MQTT简介

一、前言

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。

二、MQTT简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是 IBM 在1999年 开发的一个即时通讯协议，它是一种轻量级的、基于代理的"发布/订阅"（publish/subscribe）模式的消息传输协议。

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最大优点在于，用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。

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。

MQTT 具有协议简洁、小巧、可扩展性强、省流量、省电等优点，比较适合于在低带宽、不可靠的网络的进行远程传感器和控制设备通讯等，正在日益成为物联网通信协议的重要组成部分。

三、设计规范

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

1. 精简，不添加可有可无的功能；
2. 发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；
3. 允许用户动态创建主题，零运维成本；
4. 把传输量降到最低以提高传输效率；
5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；
6. 支持连续的会话控制；
7. 理解客户端计算能力可能很低；
8. 提供服务质量管理；
9. 假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

四、主要特性

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。

这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。

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。

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。

6. 使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。

Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。

五、MQTT特性

MQTT协议当前版本为，2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外，还有一个简化版MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络，如：ZigBee。

MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上，提供有序、无损、双向连接。

其特点包括：

1. 使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。

2. 对负载内容屏蔽的消息传输机制。

3. 对传输消息有三种服务质量（QoS）：

   • 最多一次，这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1

   • 最少一次，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>=1

   • 只有一次，确保消息只有一次到达。即：＝1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别

4. 数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有2字节），以减少网络流量

5. 通知机制，异常中断时通知传输双方

六、发布和订阅

MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。

这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。

MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。

它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。

服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！

客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之。

客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。

消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。

我们来看看下面的设置。

• 光伏发电站是发布者（Publisher）。

• 主要主题（Topic）级别是"PV"，这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data"；

• "PV/sunshine"是一个布尔值（true/false，也可以是 1/0），充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车（仅在阳光普照时 :)）。

• 充电站（EVSE）是订阅者，订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。

• "PV/data" 另一方面，以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率，并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅，以生成一天内传输功率的图表。

这就是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示；

七、服务质量QoS（Quality of Service levels）

服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器，则客户端将是发送者，MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。

1、Qos 0

这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1

2、Qos 1

QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。

3、Qos 2

使用 QoS 2，我们保证消息仅传送到目的地一次。为此，带有唯一消息 ID 的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者。QoS 级别 2 在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。

 

MQTT中文网：http://mqtt.p2hp.com/

MQTT 协议 3.1.1：https://www.runoob.com/manual/mqtt/protocol/MQTT-3.1.1-CN.html

MQTT 协议 3.1.1 PDF：https://www.runoob.com/manual/mqtt/protocol/MQTT-3.1.1-CN.pdf

参考：https://www.hangge.com/blog/cache/detail_2347.html