一文读懂物联网中的MQTT协议

 

物联网曾被认为是继计算机、互联网之后，信息技术行业的第三次浪潮。随着基础通讯设施的不断完善，尤其是 5G 的出现，进一步降低了万物互联的门槛和成本。物联网本身也是 AI 和区块链应用很好的落地场景之一，各大云服务商也在纷纷上架物联网平台和服务。

物联网通讯是物联网的一个核心内容，目前物联网的通讯协议并没有一个统一的标准，比较常见的有MQTT、CoAP、DDS、XMPP 等，在这其中，MQTT（消息队列遥测传输协议）应该是应用最广泛的标准之一。目前，MQTT 已逐渐成为 IoT 领域最热门的协议，也是国内外各大物联网平台最主流的传输协议，阿里云 IoT 物联网平台很多设备都是通过 MQTT 接入。

1、MQTT 简介

《MQTT 协议规范中文版》一书中对 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）进行了描述：

MQTT 是一种基于客户端服务端架构的发布/订阅模式的消息传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，易于实现。这些特点使得它对很多场景来说都是很好的选择，特别是对于受限的环境如机器与机器的通信（M2M）以及物联网环境（IoT）。----MQTT 协议中文版

与HTTP 协议一样，MQTT 协议也是应用层协议，工作在 TCP/IP 四层模型中的最上层（应用层），构建于 TCP/IP协议上。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。

如今，MQTT 成为了最受欢迎的物联网协议，已广泛应用于车联网、智能家居、即时聊天应用和工业互联网等领域。目前通过 MQTT 协议连接的设备已经过亿，这些都得益于 MQTT 协议为设备提供了稳定、可靠、易用的通信基础。

2、MQTT 的主要特性

MQTT 协议是为工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备之间的通讯而设计的协议，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、基于 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，但是同样也有基于 UDP 的版本，叫做 MQTT-SN。

③、支持 QoS 服务质量等级。根据消息的重要性不同设置不同的服务质量等级。

④、小型传输，开销很小，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，在手机移动应用方面，MQTT 是一种不错的 Android 消息推送方案。

⑤、使用 will 遗嘱机制来通知客户端异常断线。

⑥、基于主题发布/订阅消息，对负载内容屏蔽的消息传输。

⑦、支持心跳机制。

3、MQTT 历史

MQTT 协议最初版本是在 1999 年建立的，该协议的发明人是的 Andy Stanford-Clark 和 Arlen Nipper。

MQTT 最初是用于石油管道的传感器与卫星之间数据传输。他们当时正在开发一个利用卫星通讯监控输油管道的项目，为了实现这个项目要求，他们需要开发一种用于嵌入式设备的通讯协议，这种通讯协议必须满足以下条件：

易于实现，服务器必须要实现成千上万个客户端的接入

数据传输的服务质量可控，根据数据的重要性和特性，设置不同等级的服务质量

占用带宽小，单次数据量小，但不能出错

必须能够适应高延迟、掉线、断网等网络通信不可靠的风险

设备连接状态可知，云端与设备端保持长连接

通过以上几个条件可知：

MQTT 服务器可以连接大量的远程传感器和控制设备，与远程客户端保持长连接，具有一定的实时性。

云端向设备端发送消息，设备端可以在最短的时间内接收到并作出回应。

MQTT 更适合需要实时控制的场合，尤其适合执行器。

云端与客户端需要保持长连接，要能够获取到设备的连接状态，就需要时不时地发送心跳包，这就不会省电，所以，MQTT 并不适合低功耗场合。

可以看出，MQTT 从诞生之初就是专为低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计的。虽然历经几十年的更新和变化，以上这些特点仍然是 MQTT 协议的核心特点。但是与最初不同的是，MQTT 协议已经从嵌入式系统应用拓展到开放的物联网（IoT）领域。

4、MQTT 版本

目前 MQTT 主流版本有两个，分别是 MQTT3.1.1 和 MQTT5。MQTT3.1.1 是在 2014 年 10 月发布的，而 MQTT5 是在 2019 年 3 月发布的。虽然 MQTT3.1.1 与 MQTT5 在时间相差了将近五年，但是 MQTT3.1.1作为一个经典的版本，目前仍然是主流版本，能够满足大部分实际需求。

MQTT5 是在 MQTT3.1.1 的基础上进行了升级，因此 MQTT5 是完全兼容 MQTT3.1.1 的。而 MQTT5 是 在 MQTT3.1.1 的基础上添加了更多的功能、补充完善 MQTT 协议。

5、MQTT 协议

MQTT 是一种基于客户端-服务端架构（C/S）的消息传输协议，所以在 MQTT 协议通信中，有两个最为重要的角色，它们便是服务端和客户端。

1）服务端

MQTT 服务端通常是一台服务器（broker），它是 MQTT 信息传输的枢纽，负责将 MQTT 客户端发送来的信息传递给 MQTT 客户端；MQTT 服务端还负责管理 MQTT 客户端，以确保客户端之间的通讯顺畅，保证 MQTT 信息得以正确接收和准确投递。

2）客户端

MQTT 客户端可以向服务端发布信息，也可以从服务端收取信息；我们把客户端发送信息的行为称为“发布”信息。而客户端要想从服务端收取信息，则首先要向服务端“订阅”信息。“订阅”信息这一操作很像我们在使用微信时“关注”了某个公众号，当公众号的作者发布新的文章时，微信官方会向关注了该公众号的所有用户发送信息，告诉他们有新文章更新了，以便用户查看。

3）MQTT 主题

上面我们讲到了，客户端想要从服务器获取信息，首先需要订阅信息，那客户端如何订阅信息呢？这里我们要引入“主题（Topic）”的概念，“主题”在 MQTT 通信中是一个非常重要的概念，客户端发布信息以及订阅信息都是围绕“主题”来进行的，并且 MQTT 服务端在管理 MQTT 信息时，也是使用“主题”来控制的。

客户端发布消息时需要为消息指定一个“主题”，表示将消息发布到该主题；而对于订阅消息的客户端来说，可通过订阅“主题”来订阅消息，这样当其它客户端或自己（当前客户端）向该主题发布消息时，MQTT 服务端就会将该主题的信息发送给该主题的订阅者（客户端）。

服务端如何通过“主题”来控制客户端之间的信息通讯，看下图实例：

在以上图示中一共有三个 MQTT 客户端，它们分别是开发板、手机和电脑。MQTT 服务端在管理 MQTT通信时使用了“主题”来对信息进行管理。

比如上图所示，假设我们需要利用手机和电脑获取开发板在运行过程中 SoC 芯片的温度，那么首先电脑和手机这两个客户端需要向 MQTT 服务器订阅主题“芯片温度”；接下来，当开发板客户端向服务端的“芯片温度”主题发布信息（假设信息的内容就是当前的温度值）后，服务端就会首先检查都有哪些客户端订阅了“芯片温度”这一主题的信息，而当它发现订阅了该主题的客户端有一个手机和一个电脑，于是服务端就会将刚刚收到的“芯片温度”信息转发给订阅了该主题的手机和电脑客户端。

通过以上的这种实例，手机和电脑便可以获取到开发板运行时 SoC 芯片的温度值。

以上实例中，开发板是“芯片温度”主题的发布者，而手机和电脑则是该主题的订阅者。

值得注意的是，MQTT 客户端在通信时，角色往往不是单一的，一个客户端既可以作为信息发布者也可以同时作为信息订阅者。如下图所示：

上图中的所有客户端都是围绕“LED 控制”这一主题进行通信。此时，对于“LED 控制”这一主题来说，手机和电脑客户端成为了 MQTT 信息的发布者而开发板则成为了 MQTT 信息的订阅者（接收者）。

所以由此可知，针对不同的主题，MQTT 客户端可以切换自己的角色，它们可能对主题 A 来说是信息发布者，但是对于主题 B 就成了信息订阅者，所以一个 MQTT 客户端它的角色并不是固定的，所以大家一定要理解“主题”这个概念。

4）MQTT 发布/订阅特性

从以上实例我们可以看到，MQTT 通信的核心枢纽是 MQTT 服务端，它负责将 MQTT 客户端发送来的信息传递给 MQTT 客户端，还负责管理 MQTT 客户端，以确保客户端之间的通讯顺畅，保证 MQTT 信息得以正确接收和准确投递。

正是因为有了服务端对 MQTT 信息的接收、储存、处理和发送，客户端在发布和订阅信息时，可以相互独立、且在空间上可以分离、时间上可以异步，这就是 MQTT 发布/订阅的特性：客户端相互独立、空间上可分离、时间上可异步，具体介绍如下：

客户端相互独立：MQTT 客户端是一个个独立的个体，它们无需了解彼此的存在，依然可以实现信息交流。

空间上分离：空间上分离相对容易理解，MQTT 客户端以及 MQTT 服务端它们在通信时是处于同一个通信网络中的，这个网络可以是互联网或者局域网；只要客户端联网，无论他们远在天边还是近在眼前，都可以实现彼此间的通讯交流；其实网络通信本就是如此，所以并不是 MQTT 通信所特有的。

时间上可异步：MQTT 客户端在发送和接收信息时无需同步。这一特点对物联网设备尤为重要，前面我们也介绍了，MQTT 从诞生之初就是专为低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计的，高延迟和不可靠网络必然就会导致时间上的异步；物联网设备在运行过程中发生意外掉线是非常正常的情况。

6、总结

向大家介绍了 MQTT 通信的基本原理，在 MQTT 通信中，1 个服务端、多个客户端之间围绕“主题”进行了通信，所以重要在于大家需要理解各个客户端的相互关系以及服务端在其中所起的作用，并且理解“主题”这个概念以及 MQTT 发布/订阅模式的特性，后面向大家介绍具体的通信过程时，要迅速的反应过来。

注意：对于 MQTT 发布/订阅模式的特性，我们总结的几个特点中都有一个“可”字。这个“可”字意味着客户端彼此之间可以独立，空间可以分离，时间可以异步。在我们实际应用中，客户端之间的关系既可以独立也可以相互依存。在空间上，既可以相距甚远，也可以彼此相邻。在时间上，既可以异步也可以同步。这个“可”字所体现的是 MQTT 通讯的灵活性。

审核编辑：刘清