一、MQTT简介

简述

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。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

• 易于实现
• 数据传输的服务质量可控
• 占用带宽小
• 传输数据内容不可预知
• 设备连接状态可知

从以上几点不难看出，MQTT 从诞生之初就是专为低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计的。

通信模式

服务器端： MQTT服务器非常多，如apache的ActiveMQ，emtqqd，HiveMQ，Emitter，Mosquitto，Moquette等等，我们主要研究Mosquitto。图一的Broker和图二的“代理”都属于服务器端，负责处理客户端的网络连接和订阅等请求。
客户端： Publisher和Subscriber都属于客户端，连接服务器端进行发布/订阅消息。
从上面图片可以看到，topic可以理解成主题/消息类型，payload可以理解为消息内容。那么从图二就可以很容易理解它的通信模式。订阅者先是订阅了topic主题的消息，而当发布端发布了topic主题的消息payload就会经过代理（服务器端）的“筛选”转发给匹配的topic的订阅者。

MQTT版本

目前MQTT主流版本有两个，分别是MQTT3.1.1和MQTT5。MQTT5是在MQTT3.1.1的基础上进行了升级。因此MQTT5是完全兼容MQTT3.1.1的。而MQTT5是在MQTT3.1.1的基础上添加了更多的功能补充完善MQTT协议。

将会重点学习MQTT3.1.1，这么做有几点原因：

1. MQTT3.1.1是MQTT5的基础，因此掌握了MQTT3.1.1后可以通过进一步学习掌握MQTT5的使用。
2. 当前多种流行编程语言的MQTT客户端库仍然只支持MQTT3.1.1，而不支持MQTT5。
3. 目前物联网环境中的大量设备仍然使用MQTT3.1.1协议而不支持MQTT5协议。

二、MQTT基本原理

在MQTT协议通讯中，有两个最为重要的角色。它们分别是服务端和客户端。首先我们来初步了解一下它们。

MQTT服务端

MQTT服务端通常是一台服务器。它是MQTT信息传输的枢纽，负责将MQTT客户端发送来的信息传递给MQTT客户端。MQTT服务端还负责管理MQTT客户端。确保客户端之间的通讯顺畅，保证MQTT消息得以正确接收和准确投递。

MQTT客户端

MQTT客户端可以向服务端发布信息，也可以从服务端收取信息。我们把客户端发送信息的行为成为“发布”信息。而客户端要想从服务端收取信息，则首先要向服务端“订阅”信息。“订阅”信息这一操作很像我们在视频网站订阅某一部电视剧。当这部电视剧上新后，视频网站会向订阅了该剧的用户发送信息，告诉他们有新剧上线了。

MQTT客户端在通讯时，往往角色不是单一的。它既可以作为信息发布者也可以同时作为信息订阅者。

MQTT主题

刚刚我们在讲解MQTT客户端订阅信息时，使用了用户在视频网站订阅电视剧这个例子。在MQTT通讯中，客户端所订阅的肯定不是一部部电视剧，而是一个个“主题”。MQTT服务端在管理MQTT信息通讯时，就是使用“主题”来控制的。

MQTT 发布/订阅 特性

MQTT通讯的核心枢纽是MQTT服务端。有了服务端对MQTT信息的接收、储存、处理和发送，客户端在发布和订阅信息时，可以相互独立，且在空间上可以分离，时间上可以异步。这里所说的相互独立、空间和时间分离具体指的是什么呢？

• 相互可独立：MQTT客户端是一个个独立的个体。它们无需了解彼此的存在，依然可以实现信息交流。大家只要订阅了“汽车速度”主题，MQTT服务端就会在每次收到新信息时，将信息发送给订阅了“汽车速度”主题的客户端。
• 空间可分离：空间分离相对容易理解，MQTT客户端在通讯比要条件是连接到了同一个MQTT通讯网络。这个网络可以是互联网或者局域网。只要客户端联网，无论他们远在天边还是近在眼前，都可以实现彼此间的通讯交流。
• 时间可异步：MQTT客户端在发送和接收信息时无需同步。这一特点对物联网设备尤为重要。有时物联网设备会发生意外离线的情况。我们使用以上实例二的场景来作为示例。当我们的汽车在行驶过程中，可能会突然进入隧道，这时汽车可能会断开与MQTT服务端的连接。假设在此时我们的手机客户端向汽车客户端所订阅的“空调温度”主题发布了信息，而汽车恰恰不在线。这时，MQTT服务端可以将“空调温度”主题的新信息保存，待汽车再次上线后，服务端再将“空调温度”信息推送给汽车。

以上总结的几个特点中都有一个“可”字。这个“可”字意味着客户端彼此之间可以独立，空间可以分离，时间可以异步。在我们实际应用中，客户端之间的关系既可以独立也可以相互依存。在空间上，既可以相距甚远，也可以彼此相邻。在时间上，既可以异步也可以同步。这个“可”字所体现的是MQTT通讯的灵活性。

MQTT协议通信过程（图）