一文读懂MQTT协议

Posted 2022-10-31 边缘计算社区

 导读

目前MQTT协议被广泛应用于自动驾驶、工业、通信等领域。而在智能家居领域市场上，中国移动、华为、阿里、腾讯等多家IoT平台都支持MQTT协议接入。本文将详细介绍MQTT协议的特点、如何运作等相关问题。

作者：王映月

单位：中国移动智慧家庭运营中心

来源：移动Labs

MQTT是结构化信息标准促进组织（OASIS，Organization for the Advancement of Structured Information Standards）标准下的物联网消息传递协议，其轻量级的发布/订阅传输机制，非常适合为远程连接设备提供可靠的消息通信服务。目前MQTT协议被广泛应用于自动驾驶、工业、通信等领域。而在智能家居领域市场上中国移动、华为、阿里、腾讯等多家IoT平台都支持MQTT协议接入。

Part 01

●  MQTT协议的特点 ● 

- 轻量高效

只需极少的资源即可实现MQTT客户端，这使得MQTT协议可以轻松地在微型芯片上运行。极简报文设置实现最小网络开销。

- 范围广播

轻松实现百万设备消息广播。

- 稳定传输

3种消息传输保障等级，提供不同场景下消息传递的可靠性保证。

- 弱网支持

会话保持机制减少弱网环境下设备重连时间。

- 安全保障

支持多种认证协议保障消息安全

Part 02

●  MQTT协议是怎么工作的 ● 

MQTT协议定义了消息代理节点（Broker）及MQTT客户端（Client），两种网络实体类型。Broker接收Client发送的消息并负责转发这些消息到指定的Client。Client是能与Broker产生交互的任何实体，负责发送与接收消息。常见的Client比如IoT传感器，云端服务器。可见在MQTT协议中消息是通过Broker进行转发的，而不是由一个Client与另一个Client直接连接通信。为了区分，我们可以把Client定义为消息发送者（Publisher-Client）与消息接收者（Subscriber-Client）。

(1) Client与Broker建立连接，该连接可以是一个TCP/IP连接，也可以是一个加密的TLS连接。

(2) Subscriber-Client订阅一个主题（Topic）。

(3) Publisher-Client发送某个Topic消息到Broker。

(4) Broker将该条消息转发给所有订阅该Topic的Subscriber-Client。

Part 03

●  MQTT协议质量保障 ● 

众所周知，物联网设备往往处在复杂的网络环境下，比如农业物联网中，蔬菜大棚的传感器设备；工业物联网中，封闭车间的温湿度传感器等等。在这些复杂网络场景下，设备状态是无法确定的，为了在这些场景下保障连接，MQTT协议提供了消息服务质量保障等级（Qos，Quality of Service levels）。

• Qos-0最多一次

Qos 0 保障消息到达终点最多不超过1次。消息可能到达1次或根本不会到达。适用于功率受限设备，可以最大减少传播时间，减少消息传递成本；适用于非关键消息传递，例如被频繁重复发送的消息。

• Qos-1 最少一次

Qos 1保障消息到达终点最少不低于1次。Broker在确认接收消息后会返回一个PUBACK消息给到Publisher-Client。如果消息发送失败，Publisher-Client将在一段时间后重发消息。此类型消息适用于重要不可丢失的消息传递，可利用该传输机制保证消息在离线设备上线后仍能收到。Subscriber-Client需要做好重复消息处理工作。

• Qos-2 只有一次

Qos 2 保障消息到达终点只有1次。此类消息保证接接收端对于一条消息只接收一次，是MQTT协议中最安全且传输速度最慢的一种消息传递形式。适用于十分重要且不允许重复消息出现的场景使用，由于消息十分重要，因此可忽视额外的网络开销。

Part 04

●  最小MQTT应用搭建 ● 

在了解MQTT理论基础概念后，我们一起在Windows系统上搭建一个最小MQTT服务，实现MQTT消息的发送及订阅。

(1) Broker搭建

我们选择开源代理平台Mosquitto作为此次最小MQTT应用的单点Broker。

将Mosquitto Windows版下载完成后，通过Windows系统终端打开mosquitto.exe文件。输入./mosquitto.exe -p 1883 即在Windows系统上启动了一个MQTT服务，监听地址为127.0.0.1，端口是1883。

(2) Client搭建

完成Broker搭建后，我们还需要Client实现消息的发送和订阅。我们选择mqtt.fx软件作为此次最小MQTT应用的Client。打开mqtt.fx软件，我们通过设置MQTT Broker Address为127.0.01，Broker Port为1883，并自定义Client ID。完成设置后，点击主页面的Connect，页面右上角的连接指示灯显示为绿色即表示完成了连接，此时我们实现了Client到Broker的连接。

(3) 消息订阅

假定步骤二创建的Client为一个Subscriber-Client，此时通过点击主页面中的Subscribe，填写订阅Topic信息，在示例中我订阅的Topic为test，即可完成该Client对于该Topic订阅。

(4) 消息发送

重新打开一个mqtt.fx客户端，创建一个Publisher-Client，设置MQTT Broker信息与Subscriber-Client信息一致，成功连接Broker后，在Publish页面下，向指定Topic即test发送信息，此时我们可以在Subscriber-Client界面上看到消息成功的从Broker转发至Subscriber-Client。

至此一个最小的MQTT应用就搭建完成了。

综上所述，MQTT协议关注于消息，拥有轻量、高效、低开销等特性，相对于HTTP等广泛应用于互联网场景的协议来说，MQTT协议与物联网通信领域更加契合。