10 主流通信方式——MQTT

前面我们讲解了物联网设备之间怎样互相发现彼此。在物联网学习(3)中，我们提到了物联网设备之间的网络协议。今天我们来详细学习最流行的通信方式——MQTT协议。

10.1 快速上手

首先我们来快速上手一个例子，来对MQTT有一个直观的印象，有助于我们理解后面的详细内容。

首先，让我们安装hbmqtt，这时开源的MQTT Broker软件，是使用Python 3实现的。因此我们在安装好Python 3之后（Python 3的安装我们不在这里介绍，网上有大把的资料），使用pip3工具直接安装hbmqtt。

pip3 install hbmqtt==0.9.5

安装完成之后，就可以使用hbmqtt_sub和hbmqtt_pub命令来订阅消息和发布消息。

注意：我安装的Python 3.9，配合最新的hbmqtt 0.9.6，连接的时候总是报错，因此上面使用的时hbmqtt 0.9.5

中间的MQTT Broker，我们先采用免费开放的在线Broker服务。我们先使用最简单的1883端口非加密方式来传输消息。

首先，我们需要确定一个主题，比如叫做/afrag/wang/iot。
接着，我们可以输入如下的命令，在Elipse提供的MQTT Broker服务上订阅/afrag/wang/iot主题：

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

然后，我们启动另外一个终端窗口（当然也可以在另外一个机器上），输入以下的命令来发布消息：

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

每个程序猿都非常熟悉的经典的Hello World！

从第一个订阅的终端窗口中，我们可以看到已经收到了Hello World！消息，一个完整的消息传输过程就完成了。

10.2 为什么MQTT最流行

为什么MQTT这么流行？原因有两个方面：

MQTT自身的强大

MQTT的发布-订阅模式符合大部分物联网应用场景。
轻量级的特性，能够满足物联网中通信资源受限设备的需求
低功耗的优化设计，满足物联网中设备能源受限的需求
针对不同的网络环境，提供了不同的服务质量等级
支持数据安全需求

完善的生态环境

无论是客户端还是服务端，都有多种开源实现，并且支持多种语言。
有商业产品的支持
资料完善、社区活跃

10.3 再详细一点

10.3.1 发布-订阅模式

前面我们的快速上手，使用的就是发布-订阅模式。这个模式支持一个消息同时被多个订阅者订阅，这个是发布-订阅模式的典型特征，非常符合大多数物联网应用场景。一个设备发出的消息，能够出发多个下游操作，并且是完全解耦的。同时，网络不稳定造成的临时下线，不会影响工作。

10.3.2 轻量级协议

MQTT采用的是二进制的编码格式，这样能够充分利用字节位，使得协议头很紧凑，减少网络传输的数据量。下图是MQTT协议的头格式的示意图：

MQTT协议头格式

其中，第一个字节分成了两个部分：高4位（4_{7位）和低4位（0}3位）。其中高4位是数量包类型的标识位。MQTT 3.1.1版本定义了14中数据包的类型，通过这4位指明使用的是哪一种数据包格式。低4位是数据包标志位，每一个bit可以表示不同的含义。

第二个字节表示数据包的长度，单位为byte。其中最高位表示数据包长度数据是否延续到第三个字节，因此这一位称为延续位。如果有第三个字节，那么第三个字节和第二个字节一样，最高位位延续位。最长可以延续到第五个字节。因此表示长度的数字一共可以有 4 * 7 = 28 bit，所以MQTT的数据包最长可以有256MB（包含协议头）。

同时，MQTT的交互流程设计的非常简单，消息交互的类型比较少（因此数据包类型只需要4个bit），下面的图中是MQTT 3.1.1定义的数据包类型及对应的功能和消息流向。

MQTT 3.1.1定义的数据包类型

10.3.3 低功耗设计

在MQTT协议中，很注重低功耗的优化设计。比如对应Keepalive机制，MQTT定义了PINGREQ和PINGRESP两种消息类型，这两个消息都是2个字节的定长消息，非常轻量。并且，如果在规定的时间内，发送了业务消息，就不会重复发送PINGREQ和PINGRESP消息，避免不必要的消息发送。
另外，如果Client在发送消息的时候，使用的主题和上一个消息一样，就可以省略主题名。对于很多传感器，发送的消息一直是同一个主题，这样积累起来会省略很多带宽和能耗。

10.3.4 不同的服务质量等级

为了能够适应物联网应用中不同的通信条件，MQTT协议设计了3种不同的QoS级别，我们可以根据实际的场景灵活选择。

QoS 0，表示的是“最多一次“送达，也就是消息可能会丢失，但是不会重复。
QoS 1，表示的是”至少一次“送达，也就是消息可能会重复，但是不会丢失。
QoS 2，表示的是”恰好一次“送达，也就是消息有且只有一次送达，不会丢失，也不会重复。

10.3.5 安全的数据传输

MQTT提供了用户名/密码的身份验证机制，在建立连接的过程种，可以通过判断用户名和密码的正确性来判断是否能够建立连接。

MQTT支持SSL/TLS的加密通信方式，采用加密通信后，MQTT就转换位MQTTS（类似HTTP和HTTPS）。要使用MQTTS，首先去这个链接下载一份证书。然后，在前面的命令种，将mqtt://修改为mqtts://就可以，将端口号修改为mqtts的端口号8883，同时指定要使用的证书的就可以了，例如：

hbmqtt_sub --url mqtts://test.mosquitto.org:8883 -t /afrag/wang/iot --ca-file mosquitto.org.crt

hbmqtt_pub --url mqtts://test.mosquitto.org:8883 -t /afrag/wang/iot -m Hello,World! --ca-file mosquitto.org.crt

物联网学习(7)——MQTT