MQTT 協(xié)議是什么？
隨著 5G 時代的來臨，萬物互聯(lián)的偉大構(gòu)想正在成為現(xiàn)實。聯(lián)網(wǎng)的 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 在 2018 年已經(jīng)達到了 70 億，在未來兩年，僅智能水電氣表就將超過10億。
海量的設(shè)備接入和設(shè)備管理對網(wǎng)絡(luò)帶寬、通信協(xié)議以及平臺服務(wù)架構(gòu)都帶來了很大挑戰(zhàn)。對于 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 來說，必須針對性地解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信的幾個關(guān)鍵問題：其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜而不可靠、其內(nèi)存和閃存容量小、其處理器能力有限。
MQTT 協(xié)議 是基于發(fā)布／訂閱模式的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，憑借簡單易實現(xiàn)、支持 QoS、報文小等特點，占據(jù)了物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的半壁江山：
MQTT 協(xié)議的誕生
MQTT was created by Andy Stanford－Clark of IBM， and Arlen Nipper （then of Arcom Systems， later CTO of Eurotech）．
據(jù) Arlen Nipper 在一 IBM Podcast 上的自述，MQTT 原名是 MQ TT， 注意 MQ 與 TT之間的空格，其全稱為： MQ Telemetry Transport，是九十年代早期，他在參與 Conoco Phillips 公司的一個原油管道數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（pipeline SCADA system）時，開發(fā)的一個實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。它的目的在于讓傳感器通過帶寬有限的 VSAT ，與 IBM 的 MQ Integrator 通信。由于 Nipper 是遙感和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控專業(yè)出身，所以按業(yè)內(nèi)慣例給了個 MQ TT 的名字。
MQTT 協(xié)議設(shè)計原則
按照 Nipper 的介紹，MQTT 必須簡單容易實現(xiàn)，必須支持 QoS（設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜），必須輕量且省帶寬（因為那時候帶寬很貴），必須數(shù)據(jù)無關(guān)（不關(guān)心 Payload 數(shù)據(jù)格式），必須有持續(xù)地會話感知能力（時刻知道設(shè)備是否在線）。下面將介紹 MQTT （3．1．1 版本） 的幾個核心特色，分別對應(yīng)了這幾個設(shè)計原則的實現(xiàn)。
靈活的發(fā)布訂閱和主題設(shè)計
發(fā)布訂閱模式是傳統(tǒng) Client／Server 模式的一種解耦方案。發(fā)布者通過 Broker 與消費者之間通信，Broker 的作用是將收到的消息通過某種過濾規(guī)則，正確地發(fā)送給消費者。發(fā)布／訂閱模式 相對于 客戶端／服務(wù)器模式 的好處在于：
發(fā)布者和消費者之間不必預(yù)先知道對方的存在，比如不需要預(yù)先溝通對方的 IP Address 和 Port
發(fā)布者和消費者之間不必同時運行。因為 Broker 是一直運行的。
在 MQTT 協(xié)議里，上面提到的 過濾規(guī)則 是 Topic。比如：所有發(fā)布到 news 這個 Topic 的消息，都會被 Broker 轉(zhuǎn)發(fā)給已經(jīng)訂閱了 news 的訂閱者：
上圖中訂閱者預(yù)先訂閱了 news，然后發(fā)布者向 Broker 發(fā)布了一條消息 ＂some msg＂ 并指定發(fā)布到 news 主題，Broker 通過 Topic 匹配，決定將這條消息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱者。
MQTT 的 Topic 有層級結(jié)構(gòu)，并且支持通配符 ＋ 和 ＃：
＋ 是匹配單層的通配符。比如news／＋ 可以匹配news／sports，news／＋／basketball 可匹配到news／sports／basketball。
＃ 是一到多層的通配符。比如news／＃ 可以匹配news、news／sports、news／sports／basketball 以及news／sports／basketball／x 等等。
MQTT 的主題是不要預(yù)先創(chuàng)建的，發(fā)布者發(fā)送消息到某個主題、或者訂閱者訂閱某個主題的時候，Broker 就會自動創(chuàng)建這個主題。
帶寬消耗最小化
MQTT 協(xié)議將協(xié)議本身占用的額外消耗最小化，消息頭部最小只需要占用 2 個字節(jié)。
MQTT 的消息格式分三部分：
固定長度頭部，2 個字節(jié)，所有消息類型里都有
可變長度頭部，只有某些消息類型里有
Payload，只有某些消息類型里有
MQTT 的主要消息類型有：
CONNECT ／ CONNACK
PUBLISH ／ PUBACK
SUBSCRIBE ／ SUBACK
UNSUBSCRIBE ／ UNSUBACK
PINGREQ ／ PINGRESP
DISCONNECT
其中 PINGREQ ／ PINGRESP 和 DISCONNECT 報文是不需要可變頭部的，也沒有 Payload，也就是說它們的報文大小僅僅消耗 2 個字節(jié)。
在 CONNECT 報文的可變長度頭部里，有個 Protocol Version 的字段。為了節(jié)省空間，只有一個字節(jié)。所以版本號不是按照字符串 ＂3．1．1＂ 存放的，而是使用數(shù)字 4 來表示 3．1．1 版本。
三個可選的 QoS 等級
為適應(yīng)設(shè)備不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，MQTT 設(shè)計了 3 個 QoS 等級，0， 1， 2：
At most once（0）
At least once（1）
Exactly once（2）
QoS 0 是一種 ＂fire and forget＂ 的消息發(fā)送模式：Sender （可能是 Publisher 或者 Broker） 發(fā)送一條消息之后，就不再關(guān)心它有沒有發(fā)送到對方，也不設(shè)置任何重發(fā)機制。
QoS 1 包含了簡單的重發(fā)機制，Sender 發(fā)送消息之后等待接收者的 ACK，如果沒收到 ACK 則重新發(fā)送消息。這種模式能保證消息至少能到達一次，但無法保證消息重復(fù)。
QoS 2 設(shè)計了略微復(fù)雜的重發(fā)和重復(fù)消息發(fā)現(xiàn)機制，保證消息到達對方并且嚴格只到達一次。
會話保持
MQTT 沒有假設(shè)設(shè)備或 Broker 使用了 TCP 的保活機制，而是設(shè)計了協(xié)議層的保活機制：在 CONNECT 報文里可設(shè)置 Keepalive 字段，來設(shè)置保活心跳包 PINGREQ／PINGRESP 的發(fā)送時間間隔。當(dāng)長時間無法收到設(shè)備的 PINGREQ 的時候，Broker 就會認為設(shè)備已經(jīng)下線。
總的來說，Keepalive 有兩個作用：
發(fā)現(xiàn)對端死亡或者網(wǎng)絡(luò)中斷
在長時間無消息交互的情況下，保持連接不被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備斷開
對于那些想要在重新上線后，重新收到離線期間錯過的消息的設(shè)備，MQTT 設(shè)計了持久化連接：在 CONNECT 報文里可設(shè)置 CleanSession 字段為 False，則 Broker 會為終端存儲：
設(shè)備所有的訂閱
還未被設(shè)備確認的 QoS1 和 QoS 消息
設(shè)備離線時錯過的消息
在線狀態(tài)感知
MQTT 設(shè)計了遺愿（Last Will） 消息，讓 Broker 在發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常下線的情況下，幫助設(shè)備發(fā)布一條遺愿消息到指定的主題。
實際上在某些 MQTT 服務(wù)器的實現(xiàn)里 （比如 EMQX），設(shè)備上線或下線的時候 Broker 會通過某些系統(tǒng)主題發(fā)布設(shè)備狀態(tài)更新，更符合實際應(yīng)用場景。
開源 MQTT 服務(wù)器如何選擇
到目前為止，比較流行的開源 MQTT 服務(wù)器有幾個：
Eclipse Mosquitto使用 C 語言實現(xiàn)的 MQTT 服務(wù)器。Eclipse 組織還還包含了大量的 MQTT 客戶端項目：https：／／www．eclipse．org／paho／＃
EMQX使用 Erlang 語言開發(fā)的 MQTT 服務(wù)器，內(nèi)置強大的規(guī)則引擎，支持許多其他 IoT 協(xié)議比如 MQTT－SN、 CoAP、LwM2M 等。
Mosca使用 Node．JS 開發(fā)的 MQTT 服務(wù)器，簡單易用。
VerneMQ同樣使用 Erlang 開發(fā)的 MQTT 服務(wù)器．
從支持 MQTT 5．0、穩(wěn)定性、擴展性、集群能力等方面考慮，EMQX 的表現(xiàn)應(yīng)該是最好的：
使用 Erlang OTP 開發(fā)，容錯能力好 （電信領(lǐng)域久經(jīng)考驗的語言，曾經(jīng)做出過 99．9999999％ 可用性的交換機設(shè)備）
官方有大量的擴展插件可供擴展。有很多認證插件，數(shù)據(jù)存儲（backend）插件可供選擇。可支持各種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，NoSQL 數(shù)據(jù)庫，以及常見消息隊列如 Kafka，RabbitMQ，Pulsar 等
支持集群，支持節(jié)點水平擴展
單節(jié)點支持 2000K 并發(fā)連接
支持規(guī)則引擎和編解碼
MQTT 協(xié)議快速體驗
MQTT 在線服務(wù)器
EMQX MQTT 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù) 提供了一個在線的公共 MQTT 5．0 服務(wù)器，不需要任何安裝您就可以快速開始 MQTT 協(xié)議的學(xué)習(xí)、測試或原型制作。
該 MQTT 服務(wù)器的詳細接入信息請見 EMQ 官網(wǎng)頁面：免費的在線 MQTT 服務(wù)器。
MQTT 在線客戶端
EMQ 也提供了支持瀏覽器訪問的 MQTT 在線客戶端工具，該工具支持通過普通或者加密的 WebSocket 端口連接至 MQTT 服務(wù)器，同時也支持緩存連接方便下次訪問使用。
原創(chuàng)文章，作者：EMQ，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處
原文標題 : EMQ幫助開發(fā)者快速了解 MQTT 協(xié)議及其相關(guān)特性
