MQTT 协议简介

概览

MQTT 是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议,专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用而设计,可以用极少的代码为联网设备提供实时可靠的消息服务。MQTT 协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、智慧城市、远程医疗、电力、石油与能源等领域。

MQTT 协议由 Andy Stanford-Clark (IBM)和 Arlen Nipper(Arcom,现为 Cirrus Link)于 1999 年发布。 按照 Nipper 的介绍,MQTT 必须具备以下几点:

  • 简单容易实现
  • 支持 QoS(设备网络环境复杂)
  • 轻量且省带宽(因为那时候带宽很贵)
  • 数据无关(不关心 Payload 数据格式)
  • 有持续地会话感知能力(时刻知道设备是否在线)

据 Arlen Nipper 在 IBM Podcast 上的自述,MQTT 原名是 MQ TT,注意 MQ 与 TT之间的空格,其全称为: MQ Telemetry Transport,是九十年代早期他在参与 Conoco Phillips 公司的一个原油管道数据采集监控系统(pipeline SCADA system)时开发的一个实时数据传输协议。它的目的在于让传感器通过带宽有限的 VSAT ,与 IBM 的 MQ Integrator 通信。由于 Nipper 是遥感和数据采集监控专业出身,所以按业内惯例取了 MQ TT 这个名字。

MQTT 与其他协议对比

MQTT vs HTTP

  • MQTT 的最小报文仅为 2 个字节,比 HTTP 占用更少的网络开销。
  • MQTT 与 HTTP 都能使用 TCP 连接,并实现稳定、可靠的网络连接。
  • MQTT 基于发布订阅模型,HTTP 基于请求响应,因此 MQTT 支持双工通信。
  • MQTT 可实时推送消息,但 HTTP 需要通过轮询获取数据更新。
  • MQTT 是有状态的,但是 HTTP 是无状态的。
  • MQTT 可从连接异常断开中恢复,HTTP 无法实现此目标。

MQTT vs XMPP

MQTT 协议设计简单轻量、路由灵活,将在移动互联网、物联网消息领域,全面取代 PC 时代的 XMPP 协议。

  • MQTT 报文体积小且编解码容易,XMPP 基于繁重的 XML,报文体积大且交互繁琐。
  • MQTT 基于发布订阅模式,相比 XMPP 基于 JID 的点对点消息路由更为灵活。
  • MQTT 支持 JSON、二进制等不同类型报文。XMPP 采用 XML 承载报文,二进制必须 Base64 编码等处理。
  • MQTT 通过 QoS 保证消息可靠传输,XMPP 主协议并未定义类似机制。

为什么 MQTT 是适用于物联网的最佳协议?

据 IoT Analytics 最新发布的《2022 年春季物联网状况》研究报告显示,到 2022 年,物联网市场预计将增长 18%,达到 144 亿活跃连接。

在如此大规模的物联网需求下,海量的设备接入和设备管理对网络带宽、通信协议以及平台服务架构都带来了巨大的挑战。对于物联网协议来说,必须针对性地解决物联网设备通信的几个关键问题:网络环境复杂而不可靠、内存和闪存容量小、处理器能力有限。

MQTT 协议正是为了应对以上问题而创建,经过多年的发展凭借其轻量高效、可靠的消息传递、海量连接支持、安全的双向通信等优点已成为物联网行业的首选协议。

MQTT 协议简介_第1张图片

轻量高效,节省带宽

MQTT 将协议本身占用的额外消耗最小化,消息头部最小只需要占用 2 个字节,可稳定运行在带宽受限的网络环境下。同时,MQTT 客户端只需占用非常小的硬件资源,能运行在各种资源受限的边缘端设备上。

可靠的消息传递

MQTT 协议提供了 3 种消息服务质量等级(Quality of Service),保证了在不同的网络环境下消息传递的可靠性。

  • QoS 0:消息最多传递一次。

    如果当时客户端不可用,则会丢失该消息。发布者发送一条消息之后,就不再关心它有没有发送到对方,也不设置任何重发机制。

  • QoS 1:消息传递至少 1 次。

    包含了简单的重发机制,发布者发送消息之后等待接收者的 ACK,如果没收到 ACK 则重新发送消息。这种模式能保证消息至少能到达一次,但无法保证消息重复。

  • QoS 2:消息仅传送一次。

    设计了重发和重复消息发现机制,保证消息到达对方并且严格只到达一次。

更多关于 MQTT QoS 的介绍可查看博客:MQTT QoS 服务质量介绍。

除了 QoS 之外,MQTT 还提供了清除会话(Clean Session)机制。对于那些想要在重新连接后,收到离线期间错过的消息的客户端,可在连接时设置关闭清除会话,此时服务端将会为客户端存储订阅关系及离线消息,并在客户端再次上线后发送给客户端。

海量连接支持

MQTT 协议从诞生之时便考虑到了日益增长的海量物联网设备,得益于其优秀的设计,基于 MQTT 的物联网应用及服务可轻松具备高并发、高吞吐、高可扩展能力。

连接海量的物联网设备,离不开 MQTT 服务器的支持。目前,MQTT 服务器中支持并发连接数最多的是 EMQX。最近发布的 EMQX 5.0 通过一个 23 节点的集群达成了 1 亿 MQTT 连接+每秒 100 万消息吞吐,这使得 EMQX 5.0 成为目前为止全球最具扩展性的 MQTT 服务器。

安全的双向通信

依赖于发布订阅模式,MQTT 允许在设备和云之间进行双向消息通信。发布订阅模式的优点在于:发布者与订阅者不需要建立直接连接,也不需要同时在线,而是由消息服务器负责所有消息的路由和分发工作。

安全性是所有物联网应用的基石,MQTT 支持通过 TLS/SSL 确保安全的双向通信,同时 MQTT 协议中提供的客户端 ID、用户名和密码允许我们实现应用层的身份验证和授权。

在线状态感知

为了应对网络不稳定的情况,MQTT 提供了心跳保活(Keep Alive)机制。在客户端与服务端长时间无消息交互的情况下,Keep Alive 保持连接不被断开,若一旦断开,客户端可即时感知并立即重连。

同时,MQTT 设计了遗愿(Last Will) 消息,让服务端在发现客户端异常下线的情况下,帮助客户端发布一条遗愿消息到指定的 MQTT 主题。

另外,部分 MQTT 服务器如 EMQX 也提供了上下线事件通知功能,当后端服务订阅了特定主题后,即可收到所有客户端的上下线事件,这样有助于后端服务统一处理客户端的上下线事件。

 

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