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MQTT 協議是什么？ 隨著 5G 時代的來臨，萬物互聯的偉大構想正在成為現實。聯網的 物聯網設備 在 2018 年已經達到了 70 億，在未來兩年，僅智能水電氣表就將超過10億。 海量的設備接入和設備管理對網絡帶寬、通信協議以及平臺服務架構都帶來了很大挑戰。對于 物聯網協議 來說，必須針對性地解決物聯網設備通信的幾個關鍵問題：其網絡環境復雜而不可靠、其內存和閃存容量小、其處理器能力有限。 MQTT 協議 是基于發布/訂閱模式的物聯網通信協議，憑借簡單易實現、支持 QoS、報文小等特點，占據了物聯網協議的半壁江山： MQTT 協議的誕生 MQTT was created by Andy Stanford-Clark of IBM, and Arlen Nipper (then of Arcom Systems, later CTO of Eurotech). 據 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據采集監控系統(pipeline SCADA system)時，開發的一個實時數據傳輸協議。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 是遙感和數據采集監控專業出身，所以按業內慣例給了個 MQ TT 的名字。 MQTT 協議設計原則 按照 Nipper 的介紹，MQTT 必須簡單容易實現，必須支持 QoS(設備網絡環境復雜)，必須輕量且省帶寬(因為那時候帶寬很貴)，必須數據無關(不關心 Payload 數據格式)，必須有持續地會話感知能力(時刻知道設備是否在線)。下面將介紹 MQTT (3.1.1 版本) 的幾個核心特色，分別對應了這幾個設計原則的實現。 靈活的發布訂閱和主題設計 發布訂閱模式是傳統 Client/Server 模式的一種解耦方案。發布者通過 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則，正確地發送給消費者。發布/訂閱模式 相對于 客戶端/服務器模式 的好處在于： 發布者和消費者之間不必預先知道對方的存在，比如不需要預先溝通對方的 IP Address 和 Port 發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 協議里，上面提到的 過濾規則 是 Topic。比如：所有發布到 news 這個 Topic 的消息，都會被 Broker 轉發給已經訂閱了 news 的訂閱者: 上圖中訂閱者預先訂閱了 news，然后發布者向 Broker 發布了一條消息 "some msg" 并指定發布到 news 主題，Broker 通過 Topic 匹配，決定將這條消息轉發給訂閱者。 MQTT 的 Topic 有層級結構，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 的主題是不要預先創建的，發布者發送消息到某個主題、或者訂閱者訂閱某個主題的時候，Broker 就會自動創建這個主題。 帶寬消耗最小化 MQTT 協議將協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。 MQTT 的消息格式分三部分： 固定長度頭部，2 個字節，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。 在 CONNECT 報文的可變長度頭部里，有個 Protocol Version 的字段。為了節省空間，只有一個字節。所以版本號不是按照字符串 "3.1.1" 存放的，而是使用數字 4 來表示 3.1.1 版本。 三個可選的 QoS 等級 為適應設備不同的網絡環境，MQTT 設計了 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" 的消息發送模式：Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 發送一條消息之后，就不再關心它有沒有發送到對方，也不設置任何重發機制。 QoS 1 包含了簡單的重發機制，Sender 發送消息之后等待接收者的 ACK，如果沒收到 ACK 則重新發送消息。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。 QoS 2 設計了略微復雜的重發和重復消息發現機制，保證消息到達對方并且嚴格只到達一次。 會話保持 MQTT 沒有假設設備或 Broker 使用了 TCP 的保活機制，而是設計了協議層的保活機制：在 CONNECT 報文里可設置 Keepalive 字段，來設置保活心跳包 PINGREQ/PINGRESP 的發送時間間隔。當長時間無法收到設備的 PINGREQ 的時候，Broker 就會認為設備已經下線。 總的來說，Keepalive 有兩個作用： 發現對端死亡或者網絡中斷 在長時間無消息交互的情況下，保持連接不被網絡設備斷開 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備，MQTT 設計了持久化連接：在 CONNECT 報文里可設置 CleanSession 字段為 False，則 Broker 會為終端存儲： 設備所有的訂閱 還未被設備確認的 QoS1 和 QoS 消息 設備離線時錯過的消息 在線狀態感知 MQTT 設計了遺愿(Last Will) 消息，讓 Broker 在發現設備異常下線的情況下，幫助設備發布一條遺愿消息到指定的主題。 實際上在某些 MQTT 服務器的實現里 (比如 EMQX)，設備上線或下線的時候 Broker 會通過某些系統主題發布設備狀態更新，更符合實際應用場景。 開源 MQTT 服務器如何選擇 到目前為止，比較流行的開源 MQTT 服務器有幾個： Eclipse Mosquitto使用 C 語言實現的 MQTT 服務器。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 語言開發的 MQTT 服務器，內置強大的規則引擎，支持許多其他 IoT 協議比如 MQTT-SN、 CoAP、LwM2M 等。 Mosca使用 Node.JS 開發的 MQTT 服務器，簡單易用。 VerneMQ同樣使用 Erlang 開發的 MQTT 服務器. 從支持 MQTT 5.0、穩定性、擴展性、集群能力等方面考慮，EMQX 的表現應該是最好的： 使用 Erlang OTP 開發，容錯能力好 (電信領域久經考驗的語言，曾經做出過 99.9999999% 可用性的交換機設備) 官方有大量的擴展插件可供擴展。有很多認證插件，數據存儲(backend)插件可供選擇。可支持各種關系型數據庫，NoSQL 數據庫，以及常見消息隊列如 Kafka，RabbitMQ，Pulsar 等 支持集群，支持節點水平擴展 單節點支持 2000K 并發連接 支持規則引擎和編解碼 MQTT 協議快速體驗 MQTT 在線服務器 EMQX MQTT 物聯網云服務 提供了一個在線的公共 MQTT 5.0 服務器，不需要任何安裝您就可以快速開始 MQTT 協議的學習、測試或原型制作。 該 MQTT 服務器的詳細接入信息請見 EMQ 官網頁面：免費的在線 MQTT 服務器。 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 服務器，同時也支持緩存連接方便下次訪問使用。 原創文章，作者：EMQ，如若轉載，請注明出處：https://www.emqx.com/zh/blog/what-is-the-mqtt-protocol |
