MQTT协议入门介绍

前言

物联网曾被认为是继计算机、互联网之后，信息技术行业的第三次浪潮。随着基础通讯设施的不断完善，尤其是 5G 的出现，进一步降低了万物互联的门槛和成本。物联网本身也是 AI 和区块链应用很好的落地场景之一，各大云服务商也在纷纷上架物联网平台和服务。

物联网通讯是物联网的一个核心内容，目前物联网的通讯协议并没有一个统一的标准，比较常见的有MQTT、CoAP、DDS、XMPP 等，在这其中，MQTT（消息队列遥测传输协议）应该是应用最广泛的标准之一。目前，MQTT 已逐渐成为 IoT 领域最热门的协议，也是国内外各大物联网平台最主流的传输协议，阿里云 IoT 物联网平台很多设备都是通过 MQTT 接入。

MQTT协议介绍

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。

MQTT 是一种基于客户端服务端架构的发布/订阅模式的消息传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、
简单、规范，易于实现。这些特点使得它对很多场景来说都是很好的选择，特别是对于受限的环境如机器与机器的通信（M2M）以及物联网环境（IoT）。----MQTT
协议中文版

以上这段话很好的描述了 MQTT 的全部含义，它是一种轻巧、开放、简单、规范的网络通信协议。与 HTTP 协议一样，MQTT 协议也是应用层协议，工作在 TCP/IP 四层模型中的最上层（应用层），构建于 TCP/IP协议上。MQTT 最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

如今，MQTT 成为了最受欢迎的物联网协议，已广泛应用于车联网、智能家居、即时聊天应用和工业互联网等领域。目前通过 MQTT 协议连接的设备已经过亿，这些都得益于 MQTT 协议为设备提供了稳定、可靠、易用的通信基础。

MQTT 协议是为工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备之间的通讯而设计的协议，它具 有以下主要的几项特性：

①、使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。

②、基于 TCP/IP 提供网络连接。主流的 MQTT 是基于 TCP 连接进行数据推送的，但是同样也有基于 UDP 的版本，叫做 MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

③、支持 QoS 服务质量等级。根据消息的重要性不同设置不同的服务质量等级。

④、小型传输，开销很小，协议交换最小化，以降低网络流量。这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了，在手机移动应用方面，MQTT 是一种不错的 Android 消息推送方案。

⑤、使用 will 遗嘱机制来通知客户端异常断线。

⑥、基于主题发布/订阅消息，对负载内容屏蔽的消息传输。

⑦、支持心跳机制。

MQTT QOS

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）中设计了保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传。在此机制下，提供了三种不同层次的服务质量（Quality of Service，QoS）等级：

• QoS0，即至多一次（At most once）。这种等级下，发送方（Sender）会尽力向接收方（Receiver）发送消息，但消息的传递流程只包括一次。如果发送失败，则不会重试。这种QoS等级适用于对消息传递可靠性要求不高，但对响应速度要求较高的场景。
• QoS1，即至少一次（At least once）。这种等级下，发送方会确保消息至少被传递一次到接收方。在某些情况下，消息可能会被多次传递。接收方可以通过消息ID或其他标识符来判断是否已经接收过某个消息，从而处理重复接收的情况。这种QoS等级适用于需要确保消息被至少传递一次的场景，但允许消息的重复传递。
• QoS2，即确保只有一次（Exactly once）。这种等级下，发送方会确保每个消息只被传递一次到接收方。在某些情况下，消息可能会被延迟传递。接收方可以依赖某种机制（如数据库事务）来确保某个消息的处理不会重复。这种QoS等级适用于需要确保每个消息只被传递一次的场景，并且对消息的延迟传递有一定的容忍度。

不同的QoS等级为MQTT的应用提供了不同的选择和灵活性，可以根据实际需求和网络环境来选择最合适的QoS等级。需要注意的是，QoS是Sender和Receiver之间的协议，而不是Publisher和Subscriber之间的协议。

搭建MQTT服务端

使用EMQX搭建服务端，https://www.emqx.io/zh/downloads?os=Docker
github: https://github.com/emqx/emqx 12k star
搭建步骤：

1. docker pull emqx/emqx:5.3.0
2. 启动：docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx:5.3.0
3. 在晚上上述操作之后，既可以访问EMQX管理端：
   http://[ip]:18083/#/dashboard/overview

创建客户端

import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connected with result code: " + str(rc))

def on_message(client, userdata, msg):
    print(msg.topic + " " + str(msg.payload))

client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect('ip', 1883, 600) # 600为keepalive的时间间隔
client.publish('fifa', payload='amazing', qos=0)

创建服务端

import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connected with result code: " + str(rc))

def on_message(client, userdata, msg):
    print(msg.topic + " " + str(msg.payload))

client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect('ip', 1883, 600) # 600为keepalive的时间间隔
client.subscribe('fifa', qos=0)
client.loop_forever() # 保持连接

报文