MQTT协议原理及优缺点

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MQTT协议工作原理

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MQTT是一种轻量级的消息传输协议，常用于物联网设备之间的通信。MQTT协议工作原理基于发布/订阅模式，它允许设备之间通过中间代理服务器进行通信，从而实现设备之间的数据交换。MQTT协议的工作原理可以分为三个主要部分：发布者、代理服务器和订阅者。发布者是指发送消息的设备，订阅者是指接收消息的设备，代理服务器则是连接发布者和订阅者的中间件。在MQTT协议中，发布者将消息发布到代理服务器上，代理服务器将消息存储在一个称为主题(Topic) 的逻辑容器中。主题是一种标识消息类型的字符串，它被订阅者用来过滤消息。订阅者可以订阅一个或多个主题，以接收与其相关的消息。当发布者发布一条消息时，它将消息发送到代理服务器，并指定一个主题。代理服务器将消息存储在与主题相关联的队列中，然后将消息发送给所有订阅了该主题的订阅者。订阅者可以选择接收所有消息，或者只接收特定类型的消息。MQTT协议的工作原理还涉及到QoS(Quality of Service) 级别。QoS级别用于控制消息的可靠性和传输速度。MQTT协议支持三种QoS级别：0、1和2。QoS 0表示消息不需要确认，QoS 1表示消息需要确认，QoS 2表示消息需要确认并且保证只被传输一次。总的来说，MQTT协议的工作原理非常简单，它通过发布/订阅模式实现设备之间的通信。MQTT协议的轻量级设计使得它非常适合于物联网设备之间的通信，同时也使得它具有很好的可扩展性和灵活性。

MQTT协议的优点

• 低协议开销。MQTT的独特功能是每个消息头都可以缩短为2个字节。对于HTTP为每个新请求消息重新建立HTTP连接会产生可观的开销。 MQ和MQTT使用的持久连接可以大大节省这种开销。
• 包容不稳定的网络。MQTT和MQ可以从诸如断开连接之类的故障中恢复，无需进一步的代码要求。但是HTTP本身无法实现此目标，并且客户端必须重试编码，这会增加身份问题。
• 低功耗。MQTT专为低功耗目标而设计。 HTTP设计未考虑此因素，这会增加功耗。
• 能为数百万个客户端提供连接。在连接数百万个客户端的情况下，在HTTP堆栈中维护数百万个并发连接需要大量工作才能提供支持。尽管这种支持是可行的，但大多数商业产品都经过优化以处理此订单上的持久连接。 IBM提供了IBM MessageSight，这是一种单机架安装服务器，已经过测试，可以通过MQTT处理多达一百万个并发设备。相反，MQ不是为许多同时进行的客户设计的。
• 推送通知。您需要能够及时向客户发送通知。为此，您应该使用常规的轮询或推送方法。就电池，系统负载和带宽而言，推送是最佳解决方案。
• 客户端平台的差异。 HTTP和MQTT客户端都在许多平台上实现。 MQTT的简单性可帮助您以最少的努力在其他客户端上实施MQTT。
• 防火墙容错能力。某些公司防火墙将出站连接限制到某些预定义的端口，这些端口通常仅限于HTTP（端口80），HTTPS（端口443）等，HTTP在这种情况下显然可以工作。 MQTT封装在WebSockets连接中，并显示为HTTP升级请求，因此可以在这种情况下运行。

MQTT协议的缺点

• SDK不够多。如果没有完整的SDK，则需要用于不同异构设备的软件SDK软件包才能与MQTT服务器（例如MCU，Linux，Android，iOS，WEB）进行通信，以实现互连和互操作性。
• 不支持文件和AV。在某些应用场景中，需要传输的信息可能不限于需要通过AV与文件通信的指令，例如语音和视频信号。
• 不支持与第三方HTTP集成。 MQTT协议优于常规HTTP协议，但是基于传统HTTP协议的WEB服务器仍在主流市场中占主导地位。这些服务器应与MQTT协议互连，以降低升级成本。
• 不支持负载分配。负载分配服务器对于高并发性和防止恶意攻击也是必不可少的。
• 不支持用户管理界面。当用户分析设备行为数据时，这一点尤其重要。在工业4.0和大数据时代，这是不可避免的需求。
• 不支持离线消息。设备脱机后，不支持脱机消息来补偿从MQTT服务器到设备的控制信息丢失。
• 不支持点对点通信，并且使用标准的MQTT协议。从理论上讲，点对点通信可以通过相互订阅来实现，但是逻辑相对复杂并且涉及设备安全性。当设备B和设备C相同时-在主题的情况下，设备A无法知道消息是来自设备B还是来自设备C，并且消息很可能是被设备D窃听的。
• 不支持群组通信或群组管理，而是实现群组成员的管理。小组成员可以交换消息，如果一个设备由多个人控制或多个设备由一个人控制，则此功能特别有用。

开发过程中MQTT遵循以下设计原则：

• 精简，不添加可有可无的功能。
• 发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递。
• 允许用户动态创建主题，零运维成本。
• 把传输量降到最低以提高传输效率。
• 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
• 支持连续的会话控制。
• 理解客户端计算能力可能很低。
• 提供服务质量管理。
• 假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。