全面解析MQTT协议：从基础概念到核心组件

一、MQTT是什么

上篇其实已经介绍了MQTT，这里补充一下。
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种专为低带宽、不可靠网络环境或设备资源受限情况下设计的轻量级消息传输协议。它非常适合用于机器对机器（M2M）通信和物联网（IoT）应用中，因为它能够高效地在远程传感器和控制设备之间传递信息。
MQTT基于发布/订阅模式工作，这使得它在构建灵活的消息传递系统时非常有用。通过这种模式，一个设备可以发布消息到特定的主题上，而其他设备则可以订阅这些主题以接收消息。这种方式允许消息生产者和消费者解耦，从而简化了应用程序的设计。

1、MQTT架构及角色

**发布者(Publisher)**：发送数据的实体，可以向任意主题(topic)发布消息。
**订阅者(Subscriber)**：接收数据的实体，它可以订阅一个或多个主题，并在相关主题上有新消息时收到通知。
**代理服务器(MQTT Broker)**：作为消息中转站，接收来自发布者的消息并将它们分发给相应的订阅者。

2、MQTT通讯流程

连接：客户端通过TCP/IP连接到Broker，并使用CONNECT报文进行身份认证和会话参数协商。
订阅：客户端向服务器发送SUBSCRIBE报文用于创建一个或多个订阅。
发布消息：发布者将消息附带上指定的主题名发送给Broker，Broker接收到消息后，根据主题匹配规则将消息转发给所有已订阅该主题的订阅者。
取消订阅：客户端发送UNSUBSCRIBE报文给服务器，用于取消订阅主题。
断开连接：客户端发送DISCONNECT报文表示正常断开连接。

3、核心设计特点

轻量级：协议头最小仅2字节，二进制编码减少网络流量，适用于NB-IoT等窄带场景。
发布/订阅模式：通过Broker解耦发布者与订阅者，支持多对多通信和动态扩展。
QoS分级保障：提供三种服务质量等级（QoS 0/1/2），从“最多一次”到“严格一次”递进满足不同场景需求。
会话持久化：支持断线重连恢复未接收消息，通过Clean Session标志控制离线消息存储策略

4、MQTT 控制报文格式

每个MQTT控制报文都由三部分组成：

**固定报头(Fixed Header)**：所有控制报文都包含这个部分，它包含了报文类型和一些标志位。
**可变报头(Variable Header)**：某些类型的控制报文包含这部分，具体内容取决于报文类型。
**有效载荷(Payload)**：某些类型的控制报文包含这部分，例如PUBLISH报文的有效载荷就是消息内容。

5、MQTT 控制报文类型

MQTT定义了以下几种控制报文类型：

CONNECT - 客户端到服务器的连接请求。
CONNACK - 连接确认响应。
PUBLISH - 发布消息。
PUBACK - 发布确认（QoS 1消息）。
PUBREC - 接收到发布（QoS 2消息的第一步）。
PUBREL - 发布释放（QoS 2消息的第二步）。
PUBCOMP - 发布完成（QoS 2消息的第三步）。
SUBSCRIBE - 订阅请求。
SUBACK - 订阅确认。
UNSUBSCRIBE - 取消订阅请求。
UNSUBACK - 取消订阅确认。
PINGREQ - 心跳请求。
PINGRESP - 心跳响应。
DISCONNECT - 断开连接通知。

6、协议头

CONNECT 报文的协议头包括协议名（如MQTT）、版本号、连接标志（Connect Flags）、保持连接时间（Keep Alive Timer）等信息。
CONNACK 报文包含一个连接确认标志和返回码，表明连接尝试的结果。

7、心跳机制

PINGREQ 和 PINGRESP 是用来检测客户端和服务端之间连接状态的心跳机制。客户端会定期发送PINGREQ报文给服务端，如果服务端正常工作，则会回复一个PINGRESP报文。这有助于确保双方的网络连接仍然活跃。

8、消息服务质量(QoS)

MQTT定义了三种服务质量等级，用来保证消息传递的可靠性：

QoS 0：
- 工作原理：发布者发送消息给Broker后，不等待任何确认直接认为消息发送成功。
QoS 1： 至少一次，确保消息至少被传递一次，但可能会重复。
- 工作原理
  - 发布者向Broker发送带有PUBLISH报文的消息，并期待收到一个PUBACK响应作为确认。
  - 如果在一定时间内没有收到PUBACK，发布者会重发消息，这可能导致消息重复。
QoS 2： 仅一次，确保消息只到达一次，是最可靠但也最耗资源的方式。
- 工作原理：这是最复杂也是最可靠的QoS级别，确保每条消息只被处理一次。它涉及四个步骤：
  - 发布者向Broker发送带有唯一标识符（Packet Identifier）的PUBLISH报文。
  - Broker接收到消息后，发送PUBREC响应给发布者。
  - 发布者收到PUBREC后，发送PUBREL报文给Broker。
  - Broker确认PUBREL报文后，发送PUBCOMP响应给发布者，完成整个过程。
- 详细解释：
  - PUBLISH：客户端向Broker发送一条消息，并附带一个唯一的Packet Identifier（包标识符）。这条消息将尝试送达Broker。
  - PUBREC：一旦Broker成功接收到该消息，它会回应一个PUBREC（发布收到）消息给客户端。这表示Broker已收到消息并记录下来，但还未完全确认处理完毕。
  - PUBREL：客户端在收到PUBREC后，需要发送一个PUBREL（发布释放）消息作为回应。这一步告诉Broker，“我已经知道你收到了我的消息，现在你可以处理它了”。
  - PUBCOMP：最后，Broker接收到PUBREL消息后，发送一个PUBCOMP（发布完成）消息给客户端。这标志着整个消息传递过程结束，消息已被成功处理且保证不会重复。

二、MQTT和TCP有什么区别？

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）和TCP（Transmission Control Protocol）是两种不同的协议，它们在计算机网络中扮演着不同的角色。

层级与作用：
- TCP 是传输层协议，负责提供可靠的、面向连接的通信服务。它确保数据能够准确无误地从一个端点传输到另一个端点，并处理诸如数据包重传、流量控制等问题。
- MQTT 是一种应用层协议，设计用于轻量级的消息发布/订阅模式通信。它构建于TCP之上（尽管也可以基于其他提供有序、无数据丢失、双向连接的网络协议），旨在为物联网设备提供高效的数据交换机制。
使用场景：
- TCP 广泛应用于需要可靠数据传输的各种网络通信中，如网页浏览（HTTP/HTTPS）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP、IMAP、POP3）等。
- MQTT 主要用于资源受限的设备或低带宽、高延迟或不可靠的网络环境中的机器对机器（M2M）通信和物联网（IoT）应用。它特别适用于那些需要最小化网络带宽和设备资源消耗的应用场景，比如智能家居、工业自动化、车联网等。
功能特点：
- TCP 提供了错误检查、排序以及重传机制来保证数据的完整性。
- MQTT 则提供了发布/订阅模型，支持服务质量（QoS）等级、遗嘱消息等功能，使得它非常适合于实时消息传递系统。

总结来说，TCP是一个底层的传输协议，负责数据的可靠传输；而MQTT则是一个高层的应用协议，利用TCP提供的可靠性实现特定应用场景下的消息通信。MQTT依赖于TCP（或其他类似的传输层协议）来保证其消息传输的可靠性。

对比其他协议的优缺点

1、MQTT vs HTTP

优点：
- 带宽效率：MQTT使用发布/订阅模式，减少了不必要的数据传输，特别适合于低带宽环境。而HTTP通常为请求-响应模型，可能消耗更多的带宽。
- 实时性：MQTT设计之初就考虑了实时性，通过保持长连接可以实现快速的消息传递。相比之下，HTTP需要每次建立新的TCP连接，增加了延迟。
- 资源占用：MQTT在设备端占用较少的资源，对于资源受限的设备更加友好。
缺点：
- 通用性：HTTP作为一种广泛使用的Web协议，在大多数网络环境中都有很好的支持，而MQTT可能需要额外配置Broker服务器。
- 开发难度：对于熟悉Web开发的团队来说，HTTP可能更容易上手，而MQTT则需要一定的学习成本。

2、MQTT vs CoAP

优点：
- 可靠性：MQTT提供了服务质量(QoS)等级，确保消息的可靠传递，而CoAP默认是尽力而为(best-effort)的服务质量。
- 扩展性：MQTT支持大量的主题订阅者，适用于大规模部署；CoAP更适合点对点或小规模网络应用。
缺点：
- 复杂度：MQTT协议相对复杂，尤其是在处理QoS和会话管理方面。而CoAP基于RESTful架构，更简单直观。
- 能耗：由于MQTT需要维持长连接，可能会导致更高的能耗；CoAP采用UDP作为底层传输协议，能效更高。

3、MQTT vs AMQP

优点：
- 轻量级：MQTT的设计初衷是为了适应资源受限的设备，其报文格式简洁，易于解析。AMQP则更为重量级，适合企业级应用中复杂的队列管理和事务处理需求。
- 灵活性：MQTT的发布/订阅模型非常适合动态变化的网络拓扑结构，而AMQP虽然也支持发布/订阅，但更侧重于固定的消息路由规则。
缺点：
- 功能完整性：AMQP提供了丰富的消息路由机制、事务支持以及更强的安全特性，这些都是MQTT所不具备的。
- 社区支持：尽管MQTT拥有活跃的开源社区和广泛的行业支持，但在某些特定领域（如金融服务业），AMQP可能具有更深的专业积累和技术沉淀。

通过上述对比可以看出，每种协议都有其独特的优势和适用场景。选择合适的协议取决于具体的应用需求、网络条件以及系统约束等因素。MQTT以其高效、灵活的特点成为物联网应用中的首选之一，但在某些情况下，其他协议也可能提供更好的解决方案。

三、什么是MQTT Broker

MQTT Broker，在MQTT协议架构中扮演着核心角色，可以被视为消息的中介或服务器。它的主要职责是接收来自发布者（Publishers）的消息，并根据订阅（Subscription）关系将这些消息转发给相应的订阅者（Subscribers）。换句话说，Broker就像是一个信息枢纽，它使得发布者和订阅者之间能够解耦，从而实现高效、灵活的消息传递机制。

1、MQTT Broker的主要功能包括：

消息传输：负责在发布者和订阅者之间可靠地传输消息。
主题管理：维护一个主题树（Topic Tree），用于组织和过滤消息。客户端可以通过特定的主题来发布或订阅消息。
连接管理：处理与客户端之间的连接，包括连接建立、保持和断开等操作。
安全性：提供认证和授权机制，确保只有经过验证的客户端才能进行通信，并限制它们只能访问被授权的主题。
持久化会话：支持持久化会话，允许客户端在重新连接时恢复之前的订阅状态，即使中间经历了网络中断等情况。
遗嘱消息：当客户端异常断开连接时，Broker可以根据该客户端预先设置的遗嘱消息通知其他客户端。
保留消息：存储最后一次发布的消息及其对应的主题，以便新订阅该主题的客户端能立即接收到最新的状态信息。

2、常见的MQTT Broker

EMQX:
- EMQX 是一个高度可扩展的MQTT Broker，它支持MQTT 5.0和3.x版本，并且可以将保留消息持久化到磁盘上，以确保在Broker重启后仍然保持这些消息。
- Github地址：https://github.com/emqx/emqx
Mosquitto:
- Eclipse Mosquitto也是一款流行的开源MQTT Broker，它支持保留消息的功能，并可以通过配置选项来启用或禁用保留消息的持久化。
- Github地址：https://github.com/eclipse-mosquitto/mosquitto
VerneMQ:
- VerneMQ是另一个高性能、分布式的MQTT Broker，它基于Erlang/OTP构建，能够提供高可用性和容错能力。VerneMQ同样支持保留消息的持久化存储。
- Github地址：https://github.com/vernemq/vernemq
HiveMQ:
- HiveMQ是一个企业级的MQTT Broker，它提供了强大的扩展性和灵活性，同时也支持保留消息的持久化功能。
- Github地址：社区版：https://github.com/hivemq/hivemq-community-edition
NanoMQ:
- NanoMQ是一个轻量级的边缘计算MQTT Broker，适用于物联网边缘场景。虽然它主要针对资源受限的环境进行了优化，但它也支持保留消息，并可能根据具体部署情况进行持久化设置。
- Github地址：https://github.com/nanomq/nanomq
ActiveMQ:
- ActiveMQ不仅支持AMQP等多种协议，也支持MQTT协议。它可以配置为持久化保留消息，以便在服务器重启后仍能保留这些消息。
- Github地址：https://github.com/apache/activemq
RabbitMQ（通过插件）:
- RabbitMQ本身不直接支持MQTT协议，但通过安装MQTT插件，它可以支持MQTT通信，并允许配置消息持久化策略，包括保留消息。
- Github地址：https://github.com/rabbitmq/rabbitmq-server
- 启用插件命令：rabbitmq-plugins enable rabbitmq_mqtt

四、MQTT协议的技术演进与优化

1 MQTT 5.0核心增强

会话恢复：通过Session Expiry Interval参数支持会话状态保留最长两周，重连时间从8秒缩短至1.2秒。
原因码机制：提供53种标准错误码（如0x85表示QoS不支持），提升调试效率。
用户属性扩展：允许在报文中添加自定义键值对，支持业务元数据透传。

2 安全机制设计

传输层加密：强制使用TLS 1.3，支持PSK模式降低计算开销。
认证授权：基于OAuth 2.0的JWT令牌鉴权，结合ACL限制主题订阅权限。
设备指纹：提取MAC地址、固件版本生成唯一标识库，防止非法接入。

五、结论

MQTT协议作为一种轻量级的消息传输协议，专为资源受限的设备和低带宽、不可靠网络环境设计，已经成为物联网（IoT）应用中不可或缺的一部分。通过其高效的发布/订阅模式，MQTT不仅简化了应用程序的设计，还提高了系统的灵活性与可扩展性。在本篇文章中，我们详细探讨了MQTT的基础概念、核心组件、通讯流程及其与其他协议的对比，并介绍了几个流行的MQTT Broker实现。
随着物联网技术的不断发展，MQTT协议也在持续演进。例如，MQTT 5.0版本引入了更多的高级特性，如会话恢复机制、原因码机制及用户属性扩展等，进一步提升了协议的功能性和调试效率。同时，为了应对日益增长的安全需求，MQTT支持传输层加密、认证授权等安全措施，确保数据传输的安全可靠。
然而，选择适合自身应用场景的通信协议仍然至关重要。尽管MQTT在许多方面表现出色，但根据具体的应用需求、网络条件以及系统约束，其他协议如HTTP、CoAP或AMQP也可能提供更优的解决方案。因此，在实际项目开发过程中，开发者需要全面评估各种因素，以确定最适合的技术栈。
总之，MQTT凭借其高效、灵活的特点，在智能家居、工业自动化、车联网等多个领域得到了广泛应用。它不仅解决了传统通信方式中存在的问题，还为未来物联网的发展提供了坚实的基础。随着技术的进步，我们期待看到更多基于MQTT协议的创新应用出现，推动整个物联网生态系统向更加智能、互联的方向发展。