MQTT協(xié)議詳解 概念、特性、版本及作用

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）是ISO標(biāo)準(zhǔn)下基于發(fā)布/訂閱方式的輕量級(jí)消息協(xié)議。MQTT通常使用TCP / IP（傳輸控制協(xié)議/Internet協(xié)議）作為其傳輸，但也可以使用其他雙向傳輸。MQTT通常應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等設(shè)備和應(yīng)用程序之間的通信。在嵌入式領(lǐng)域，MQTT已經(jīng)占據(jù)著無法替代的分量，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的嵌入式設(shè)備，都需要這樣的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

MQTT協(xié)議的主要特點(diǎn)

（1）開放消息協(xié)議，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

（2）發(fā)布訂閱模式，一對(duì)多消息發(fā)布。

（3）基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，提供有序、無損、雙向連接。

（4）1字節(jié)固定報(bào)頭，2字節(jié)心跳報(bào)文，最小化傳輸開銷和協(xié)議交換，有效減少網(wǎng)絡(luò)流量。

（5）消息QoS支持可靠傳輸保證。

MQTT深層特性

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一對(duì)多信息發(fā)布

首先，他是基于訂閱與發(fā)布的一種協(xié)議，所以他可以一對(duì)多地進(jìn)行消息發(fā)布，這樣的功能應(yīng)用場(chǎng)景非常多，局限性廣播能夠讓服務(wù)器靈活控制想要控制的那個(gè)設(shè)備，并且服務(wù)器可以提供多個(gè)可以訂閱的主題，這是極為關(guān)鍵的。

因?yàn)閷?duì)于服務(wù)器而言，接收數(shù)據(jù)并處理是核心任務(wù)，但是當(dāng)設(shè)備的增多、設(shè)備功能行的增多，服務(wù)器處理邏輯將會(huì)幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。同樣是接收的數(shù)據(jù)，也許是完全不同類設(shè)備上傳的完全不一樣的信息，所以當(dāng)可以提供多個(gè)訂閱主題與發(fā)布主題時(shí)，這種邏輯上的差異性就能被區(qū)分開，給開發(fā)者帶來了很大的便利。

02

不同底層協(xié)議

MQTT的第二個(gè)特性其實(shí)就是他基于了TCP/IP而生，注定它是靠上層的一個(gè)協(xié)議，現(xiàn)在接觸的其實(shí)大多都是基于TCP協(xié)議而開發(fā)的，但它其實(shí)是有基于UDP版本的，名為MQTT-SN，但大家都知道，TCP面向連接，而UDP不面向連接，所以基于不同的底層協(xié)議類型，MQTT展現(xiàn)的特性肯定也是不同的。

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消息可靠性

對(duì)于常用的MQTT協(xié)議，它有一個(gè)很重要的保證消息可靠性的特性——QoS（服務(wù)質(zhì)量），QoS可分為三個(gè)等級(jí)：QoS 0、QoS 1、QoS 2。

QoS 0其實(shí)相當(dāng)于MQTT沒有做額外信息保護(hù)，因?yàn)楸旧硎腔赥CP協(xié)議的，所以其消息可靠性完全依賴于TCP協(xié)議。而QoS 1，則是代表至少承諾會(huì)有一次發(fā)送給接收者，這是在MQTT層進(jìn)行的信息保護(hù)，而不只是依靠TCP協(xié)議層。最后QoS 2，則是保證消息僅僅傳送到目的地一次。

因?yàn)閷?duì)于QoS 1，可能會(huì)因?yàn)橄]有反饋而多次發(fā)送，而接收方也可能收到多次消息，為此，QoS 2傳輸?shù)南в形ㄒ坏腎D，帶有唯一消息ID的消息會(huì)存儲(chǔ)兩次，首先來自發(fā)送者，然后是接收者QoS級(jí)別2在網(wǎng)絡(luò)中具有最高的開銷，因?yàn)樵诎l(fā)送方和接收方之間需要兩個(gè)流。

MQTT兩個(gè)主要版本

MQTT有v3 和 v5兩個(gè)主要版本。這兩個(gè)版本原理基本相同，但它們之間存在一些關(guān)鍵的差異，下面將從以下幾個(gè)方面來介紹它們之間的區(qū)別。

01

主題別名

主題是MQTT中的核心概念，它用于標(biāo)識(shí)消息的內(nèi)容和意圖。在MQTT v3中，主題只是一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串，其結(jié)構(gòu)是由一系列以斜杠分隔的單詞組成的。例如，一個(gè) MQTT v3主題可以是 sensors/temperature/room1，其中sensors是頂級(jí)主題，temperature是其子主題，room1是子主題下的一個(gè)特定設(shè)備。

然而，在 MQTT v5中，主題的結(jié)構(gòu)得到了擴(kuò)展，新增了一些更高級(jí)的功能。具體來說，MQTT v5引入了一個(gè)名為主題別名的新概念，它允許客戶端將主題字符串映射到預(yù)定義的主題ID，從而減少網(wǎng)絡(luò)流量和消息大小。這使得客戶端能夠在發(fā)送消息時(shí)只發(fā)送主題ID，而不必每次都發(fā)送完整的主題字符串。這對(duì)于IoT設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的環(huán)境來說非常有用。

02

訂閱操作

MQTT v5引入了一種名為共享訂閱的新訂閱類型。如下圖所示，共享訂閱允許多個(gè)客戶端共享一個(gè)訂閱，并按照一定規(guī)則進(jìn)行分配。這種訂閱類型對(duì)于訂閱高負(fù)載主題非常有用，因?yàn)樗梢云胶庥嗛喺?qǐng)求，減輕單個(gè)客戶端的負(fù)載壓力。

另外MQTT v5增加了訂閱選項(xiàng)的概念，可以指定訂閱選項(xiàng)，例如QoS等級(jí)、Retain As Publish、Retain Handling、消息的生命周期等，來對(duì)訂閱行為進(jìn)行更加精細(xì)地控制。

03

遺囑消息

遺囑消息是MQTT為那些可能出現(xiàn)意外斷線的設(shè)備提供的將遺囑優(yōu)雅地發(fā)送給第三方的能力。

Will Properties是MQTT v5新增的一個(gè)字段，不同類型的報(bào)文有著不同的屬性，例如CONNECT報(bào)文有最大報(bào)文長(zhǎng)度、會(huì)話過期間隔等屬性，SUBSCRIBE報(bào)文則有訂閱標(biāo)識(shí)符等屬性。而且MQTT v5較v3相比，遺囑消息的內(nèi)容變得更加靈活，可以包含任何主題和任何消息內(nèi)容。

04

錯(cuò)誤處理

MQTT v5支持更加詳細(xì)的錯(cuò)誤處理機(jī)制，可以通過錯(cuò)誤碼和錯(cuò)誤原因來定位和解決問題。同時(shí)，MQTT v5還引入了一個(gè)新的控制報(bào)文——Disconnect報(bào)文，可以幫助客戶端和服務(wù)器更好地處理錯(cuò)誤情況。

05

流量控制

MQTT v5在v3版本基礎(chǔ)上引入了一些新的機(jī)制用于流量控制，為了更好地控制消息的傳輸和處理，避免因?yàn)橄鬏斔俣冗^快導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞和負(fù)載過高。

最大報(bào)文大小限制（Maximum Packet Size）：MQTT v5 允許客戶端和服務(wù)端在握手時(shí)協(xié)商最大報(bào)文大小。如下圖所示，這個(gè)最大報(bào)文大小限制可以用于控制客戶端和服務(wù)端之間傳輸?shù)淖畲笙⒋笮?，防止因?yàn)閭鬏數(shù)南⑦^大導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和負(fù)載過高。

消息隊(duì)列（Message Queue）：當(dāng)服務(wù)端發(fā)送的消息超出了客戶端處理的速度時(shí)，服務(wù)端可以將消息存儲(chǔ)到消息隊(duì)列中，等待客戶端處理。MQTT v5 定義了消息隊(duì)列的隊(duì)列大小和超時(shí)時(shí)間，以控制消息隊(duì)列的大小和生命周期。

06

性能與效率

MQTT v5相對(duì)于MQTT v3來說，可以更好地處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸，提高了通信的效率和性能。例如MQTT v5支持批量發(fā)布（Batch Publish）和預(yù)?。∕essage Prefetch）等功能，可以大大減少M(fèi)QTT通信時(shí)的開銷。

總之，MQTT v5相比于MQTT v3具有更多的新功能和安全性。但是，需要注意的是MQTT v5相對(duì)于MQTT v3增加了很多新的功能和概念，因此在使用MQTT v5時(shí)，需要對(duì)MQTT協(xié)議的新特性進(jìn)行深入的了解，以便可以更好地使用這個(gè)新協(xié)議來構(gòu)建可靠的應(yīng)用程序。

MQTT協(xié)議于物聯(lián)網(wǎng)有何好處？

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操作簡(jiǎn)單

啟動(dòng)和運(yùn)行MQTT既快速又簡(jiǎn)單，有數(shù)百萬個(gè)現(xiàn)成的客戶端應(yīng)用程序和幾乎同樣多的代理可應(yīng)用。

02

安全可靠

許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依靠無線電連接來傳輸和收集數(shù)據(jù)，這意味著連接并不總是可靠的。MQTT可以允許將消息存儲(chǔ)在代理中，直到設(shè)備準(zhǔn)備好接收它。由于QoS（服務(wù)質(zhì)量），MQTT能夠?qū)ο⑦M(jìn)行排隊(duì)，確保它們到達(dá)目的地，如果需要，請(qǐng)確保它們只到達(dá)一次。

03

雙向消息傳遞

也許更準(zhǔn)確地說MQTT是全向的。任何設(shè)備、事物或應(yīng)用程序都可以發(fā)布或訂閱代理處理的任何主題。這意味著在網(wǎng)絡(luò)上可以交談或收聽的內(nèi)容沒有限制。

04

大規(guī)模消息傳遞

將消息廣播到一百萬臺(tái)設(shè)備與發(fā)送到一百臺(tái)設(shè)備一樣容易，要被網(wǎng)絡(luò)上的所有內(nèi)容聽到，事物只需要發(fā)布到所有設(shè)備都訂閱的主題。

歸根結(jié)底，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有一項(xiàng)工作就是在網(wǎng)絡(luò)上獲取設(shè)備之間的數(shù)據(jù)。而這些網(wǎng)絡(luò)可能位于世界任何地方，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都面臨著許多可能導(dǎo)致它們數(shù)據(jù)傳輸失敗的情況，MQTT具有無數(shù)內(nèi)置的功能來幫助緩解其中一些問題，從而讓使用者的煩惱有所減少。