MQTT协议使用总结

Posted 2021-12-22 三明治开发社区

一.MQTT简介

MQTT是基于TCP/IP协议栈构建的异步通信消息协议，是一种轻量级的发布/订阅信息传输协议。MQTT在时间和空间上，将消息发送者与接受者分离，可以在不可靠的网络环境中进行扩展。 ​ 适用于设备硬件存储空间有限或网络带宽有限的场景。物联网平台支持设备使用MQTT协议接入MQTT的特点是可以保持长连接，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响应，所以MQTT更适合需要实时控制的场合，更适合执行器。要保持长连接，那么就要时不时地发送心跳包，这就不会省电了。所以低功耗的场合并不适合MQTT。MQTT的长连接需要建立在TCP的基础上，TCP协议的复杂性决定了对设备的要求是比较高一些的，相比UDP。

二.MQTT框架图

三.MQTT特点

MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、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：

• 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；
• 对负载内容屏蔽的消息传输；
• 使用 TCP/IP 提供网络连接；
• 有三种消息发布服务质量：QoS（定阅等级），分0、1、2三个等级，简单来说是等级越高越可靠。

“至多一次”（QoS0）：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。即是推送之后就完事了，至于对方有没有收到，收到是什么，数据有没有丢失，都不管。

“至少一次”（QoS1）：确保消息到达，但消息重复可能会发生。即是你收到推送后，你还得返回一个puback给对方，告诉对方收到了，不然对方会以为你没收到，隔一段时间后重新给你推送，直到你给对方返回一个Puback为止。

“只有一次”(QoS2)：确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

• 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；
• 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:遗言机制，功能类似于Last Will。

MQTT客户端可以注册一个典型的遗愿遗嘱消息，如果它们断开连接，由代理发送。这些消息可以用于向订阅者发出信号，当设备断开连接时。

四.MQTT协议原理

1.MQTT协议实现框图

2.MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要：客户端和服务器端MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分

• Topic：可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）。

• Payload：可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

3.网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

4.MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

• 发布其他客户端可能会订阅的信息。
• 订阅其它客户端发布的消息。
• 退订或删除应用程序的消息。
• 断开与服务器连接。

5.MQTT服务器

MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

• 接受来自客户的网络连接。
• 接受客户发布的应用信息。
• 处理来自客户端的订阅和退订请求。
• 向订阅的客户转发应用程序消息。

6.MQTT协议中的订阅、主题、会话

•  订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

•  会话（Session）

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

• 主题名（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

• 主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

•  负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

7、 MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作）， 来于表示对确定资源所进行操作。 这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。

• Connect：等待与服务器建立连接。
• Disconnect：等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。
• Subscribe：等待完成订阅。
• UnSubscribe：等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
• Publish：MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

五.MQTT优缺点

1.优点

• 适用于受限网络的轻量级。
• 灵活选择具有给定功能的服务质量。
• 由OASIS技术委员会标准化。
• 实施简单快捷。
• 协议简洁轻巧，数据冗余量低。并且支持的设备从智能硬件到智能手机无所不包。

MQTT协议的优势是可以支持所有平台，它几乎可以把所有的联网物品和互联网连接起来。特别适合于网络代价昂贵，带宽低、不可靠的环境。能在处理器和内存资源有限的嵌入式设备中运行。

2.缺点

• 由于基于TCP的连接，功耗很高。
• 缺乏加密。
• 服务器端实现难度大，虽然已经有了C++版本的服务端组件，但是并不开源，而且在推送