MQTT介绍

MQTT（MQ Telemetry Transport）协议，是 IBM 公司在 1999 年开发的轻量级网络协议，采用的是发布 - 订阅通信模式，它有三个主要特点：

1. 采用二进制的消息内容编码格式，所以二进制数据、JSON 和图片等负载内容都可以方便传输。
2. 协议头很紧凑，协议交互也简单，保证了网络传输流量很小。
3. 支持 3 种 QoS（Quality of Service，服务质量）级别，便于应用根据不同的场景需求灵活选择。

MQTT 协议非常适合计算能力有限、网络带宽低、信号不稳定的远程设备，所以它成为了物联网系统事实上的网络协议标准。

MQTT 自身的“基因”很强大

MQTT 协议作为物联网设备的“第一语言”，不仅是因为 MQTT 的生态完善，MQTT 协议本身的优秀设计也是重要的因素。

契合物联网大部分应用场景的发布 - 订阅模式。

采用了发布 - 订阅模式，MQTT 协议具有很多优点，比如能让一个传感器数据触发一系列动作；网络不稳定造成的临时离线不会影响工作；方便根据需求动态调整系统规模等。这使得它能满足绝大部分物联网场景的需求。

能够满足物联网中资源受限设备需要的轻量级特性。

MQTT 是一个轻量级的网络协议，这一点也是它在物联网系统中流行的重要原因。毕竟物联网中大量的都是计算资源有限、网络带宽低的设备。这种“轻量级”体现在两个方面。

一方面，MQTT 消息采用二进制的编码格式，而不是 HTTP 协议那样的文本的表述方式。在 HTTP 协议传输的这段文本中，每个字符都要占用 1 个字节。而如果使用 MQTT 协议，一个字节就可以表示很多内容。下面的图片展示了 MQTT 的固定头的格式，这个固定头只有 2 个字节：

MQTT协议格式

第一个字节分成了高 4 位（4～7）和低 4 位（0～3）；低 4 位是数据包标识位，其中的每一比特位又可以表示不同的含义；高 4 位是不同数据包类型的标识位。第二个字节表示数据包头部和消息体的字节共个数，其中最高位表示有没有第三字节存在，来和第二个字节一起表示字节共个数。如果有第三个字节，那它的最高位表示是否有第四个字节，来和第二个字节、第三个字节一起表示字节总个数。依此类推，还可能有第四个字节、第五个字节，不过这个表示可变头部和消息体的字节个数的部分，最多也只能到第五个字节，所以可以表示的最大数据包长度有 256MB。

比如，一个请求建立连接的 CONNECT 类型数据包，头部需要 14 个字节；发布消息的 PUBLISH 类型数据包头部只有 2～4 个字节。

另一方面，体现在消息的具体交互流程设计非常简单，所以 MQTT 的交互消息类型也非常少。

MQTT消息类型

从表格可以看出，MQTT 3.1.1 版本一共定义了 14 种数据包的类型，在第一个字节的高 4 位中分别对应从 1 到 14 的数值。

时刻关注物联网设备低功耗需求的优化设计。

除了让协议足够轻量，MQTT 协议还很注重低功耗的优化设计，这主要体现在对能耗和通信次数的优化。

比如，MQTT 协议有一个 Keepalive 机制。它的作用是，在 Client 和 Broker 的连接中断时，让双方能及时发现，并重新建立 MQTT 连接，保证主题消息的可靠传输。这个机制工作的原理是：Client 和 Broker 都基于 Keepalive 确定的时间长度，来判断一段时间内是否有消息在双方之间传输。这个 Keepalive 时间长度是在 Client 建立连接时设置的，如果超出这个时间长度，双方没有收到新的数据包，那么就判定连接断开。

虽然 Keepalive 要求一段时间内必须有数据包传输，但实际情况是，Client 和 Broker 不可能时时刻刻都在传输主题消息，这要怎么办呢？

MQTT 协议的解决方案是，定义了 PINGREQ 和 PINGRESP 这两种消息类型。它们都没有可变头部和消息体，也就是说都只有 2 个字节大小。Client 和 Broker 通过分别发送 PINGREQ 和 PINGRESP 消息，就能够满足 Keepalive 机制的要求。我猜你也想到了，如果要一直这样“傻傻地”定期发送消息，那也太浪费电量和网络资源了。所以，如果在 Keepalive 时间长度内，Client 和 Broker 之间有数据传输，那么 Keepalive 机制也会将其计算在内，这样就不需要再通过发送 PINGREQ 和 PINGRESP 消息来判断了。

除了 Keepalive 机制，MQTT 5.0 中的重复主题特性也能帮助我们节省网络资源。Client 在重复发送一个主题的消息时，可以从第二次开始，将主题名长度设置为 0，这样 Broker 会自动按照上次的主题来处理消息。这种情况对传感器设备来说十分常见，所以这个特性在工作中很有实际意义。

针对物联网中多变的网络环境提供的多种服务质量等级。

MQTT 协议设计了 3 种不同的 QoS （Quality of Service，服务质量）级别。你可以根据场景灵活选择，在不同环境下保证通信是可靠的。

什么是 QoS？它是指通信双方关于消息传送可靠程度的协商。

QoS 0级别，消息只发送一次，消息可能丢失；

QoS 1级别 ，发送方会接收反馈，保证消息的送达，但是可能消息会重复。

QoS 2 级别，通过发送方和接收方的多次交互，保证消息有且只有一次。

MQTT协议服务等级

可以看到，QoS 0 和 QoS 1 的流程相对比较简单；而 QoS 2 为了保证有且只有一次的可靠传输，流程相对复杂些。正常情况下，QoS 2 有 PUBLISH、PUBREC、PUBREL 和 PUBCOMP 4 次交互。至于“不正常的情况”，发送方就需要重复发送消息。比如一段时间内没有收到 PUBREC 消息，就需要再次发送 PUBLISH 消息。不过要注意，这时要把消息中的 “重复”标识设置为 1，以便接收方能正确处理。同样地，如果没有收到 PUBCOMP 消息，发送方就需要再次发送 PUBREL 消息。

支持在物联网应用中越来越被重视的数据安全。

说到安全传输，首先我们需要验证 Client 是否有权限接入 MQTT Broker。为了控制 Client 的接入，MQTT 提供了用户名 / 密码的机制。在建立连接过程中，它可以通过判断用户名和密码的正确性，来筛选有效连接请求。但是光靠这个机制，还不能保证网络通信过程中的数据安全。因为在明文传输的方式下，不止设备数据，甚至用户名和密码都可能被其他人从网络上截获而导致泄漏，于是其他人就可以伪装成合法的设备发送数据。所以，我们还需要通信加密技术的支持。MQTT 协议支持 SSL/TLS 加密通信方式。采用 SSL/TLS 加密之后，MQTT 将转换为 MQTTS。这有点类似于 HTTP 和 HTTPS 的关系。

体验 MQTT

使用hbmqtt简单体验MQTT

第一步是安装 hbmqtt，它是一个开源的基于 Python 语言的 MQTT Broker 软件，正好包括我们需要使用一些工具。跟其他选择相比，这个软件安装起来非常方便，因为它在 Python 的 PYPI 软件仓库中就有，所以你通过 pip 命令就可以安装。这也是选择使用它的主要原因。不过要注意的是，hbmqtt 是基于 Python3 实现的，因此这里使用的是 pip3 工具。

pip3 install hbmqtt

安装完成后，我们就可以使用 hbmqtt 中提供的 hbmqtt_sub 和 hbmqtt_pub 这两个命令行工具了。通过名字，你应该也可以看出 hbmqtt_sub 可以充当订阅者的角色；hbmqtt_pub 可以作为消息的发布者。

至于订阅者和发布者之间的经纪人，也就是 MQTT Broker，我们使用 Eclipse 免费开放的在线 Broker 服务。打开链接，你可以看到关于端口的介绍信息，加密和非加密方式都支持，而且还有基于 Websocket 的实现，这对基于前端网页的应用来说是非常有利的。

我们先使用 1883 端口的非加密方式，然后为消息传输确定一个主题（Topic）。主题确定了消息的类别，用于消息过滤。比如我们待会儿要测试的消息可以设为“/mqtt/test”。

接着，我们在电脑的终端界面输入下面的命令，就可以订阅这个主题消息：

hbmqtt_sub --url mqtt://test.mosquitto.org:1883 -t /mqtt/test

现在，我们启动另外一个终端界面，通过 hbmqtt_pub 发布一个 “/mqtt/test” 主题的消息：

hbmqtt_pub --url mqtt://test.mosquitto.org:1883 -t /mqtt/test -m Hello,World!

搭建自己的MQTT Broker，进行深度体验

使用VerneMQ作为MQTT Broker

第一步，使用docker安装VerneMQ。

docker run -p 1883:1883 -e "DOCKER_VERNEMQ_ACCEPT_EULA=yes" -e "DOCKER_VERNEMQ_ALLOW_ANONYMOUS=on" --name vernemqtt -d vernemq/vernemq

第二步，使用VSCode连接VerneMQ，安装VsMqtt插件。

使用VsMqtt连接VerneMQ

MQTT 的客户端（Client）代码实现，可以使用Eclipse Paho 项目。