MQTT 协议入门：轻松上手，快速掌握核心要点

文章目录

什么是 MQTT？
MQTT 的工作原理
- MQTT 客户端
- MQTT Broker
- 发布-订阅模式
- 主题
- QoS
MQTT 的工作流程
开始使用 MQTT：快速教程
- 准备 MQTT Broker
- 准备 MQTT 客户端
- 创建 MQTT 连接
- 通过通配符订阅主题
- 发布 MQTT 消息
- MQTT 功能演示
- - 保留消息
  - Clean Session
  - 遗嘱消息

什么是 MQTT？

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级、基于发布-订阅模式的消息传输协议，适用于资源受限的设备和低带宽、高延迟或不稳定的网络环境。它在物联网应用中广受欢迎，能够实现传感器、执行器和其它设备之间的高效通信。

MQTT 的工作原理

要了解 MQTT 的工作原理，首先需要掌握以下几个概念：MQTT 客户端、MQTT Broker、发布-订阅模式、主题、QoS。

MQTT 客户端

任何运行 MQTT 客户端库的应用或设备都是 MQTT 客户端。例如，使用 MQTT 的即时通讯应用是客户端，使用 MQTT 上报数据的各种传感器是客户端，各种 MQTT 测试工具也是客户端。

MQTT Broker

MQTT Broker 是负责处理客户端请求的关键组件，包括建立连接、断开连接、订阅和取消订阅等操作，同时还负责消息的转发。一个高效强大的 MQTT Broker 能够轻松应对海量连接和百万级消息吞吐量，从而帮助物联网服务提供商专注于业务发展，快速构建可靠的 MQTT 应用。

发布-订阅模式

发布-订阅模式与客户端-服务器模式的不同之处在于，它将发送消息的客户端（发布者）和接收消息的客户端（订阅者）进行了解耦。发布者和订阅者之间无需建立直接连接，而是通过 MQTT Broker 来负责消息的路由和分发。

下图展示了 MQTT 发布/订阅过程。温度传感器作为客户端连接到 MQTT Broker，并通过发布操作将温度数据发布到一个特定主题（例如 Temperature）。MQTT Broker 接收到该消息后会负责将其转发给订阅了相应主题（Temperature）的订阅者客户端。
在这里插入图片描述

主题

MQTT 协议根据主题来转发消息。主题通过 / 来区分层级，类似于 URL 路径，例如：

chat/room/1sensor/10/temperaturesensor/+/temperature

MQTT 主题支持以下两种通配符：+ 和 #。

+：表示单层通配符，例如 a/+ 匹配 a/x 或 a/y。
#：表示多层通配符，例如 a/# 匹配 a/x、a/b/c/d。

注意：通配符主题只能用于订阅，不能用于发布。

QoS

MQTT 提供了三种服务质量（QoS），在不同网络环境下保证消息的可靠性。

QoS 0：消息最多传送一次。如果当前客户端不可用，它将丢失这条消息。
QoS 1：消息至少传送一次。
QoS 2：消息只传送一次。

MQTT 的工作流程

在了解了 MQTT 的基本组件之后，让我们来看看它的一般工作流程：

客户端使用 TCP/IP 协议与 Broker 建立连接，可以选择使用 TLS/SSL 加密来实现安全通信。客户端提供认证信息，并指定会话类型（Clean Session 或 Persistent Session）。
客户端既可以向特定主题发布消息，也可以订阅主题以接收消息。当客户端发布消息时，它会将消息发送给 MQTT Broker；而当客户端订阅消息时，它会接收与订阅主题相关的消息。
MQTT Broker 接收发布的消息，并将这些消息转发给订阅了对应主题的客户端。它根据 QoS 等级确保消息可靠传递，并根据会话类型为断开连接的客户端存储消息。

开始使用 MQTT：快速教程

下面我们将通过一些简单的示例来展示如何使用 MQTT。在开始之前，需要准备 MQTT Broker 和 MQTT 客户端。

准备 MQTT Broker

您可以选择私有部署或完全托管的云服务来建立自己的 MQTT Broker。或者您也可以使用免费的公共 Broker。

私有部署
EMQX 是最具扩展性的开源 MQTT Broker，适用于物联网、工业物联网和车联网。您可以运行以下 Docker 命令来安装 EMQX。

docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx

全托管的云服务
通过全托管的云服务启动 MQTT 服务是最便捷的方式。如下图所示，EMQX Cloud 可以在几分钟内启动，并在 AWS、Google Cloud 和 Microsoft Azure 的 17 个区域提供运行支持。

在这里插入图片描述

免费的公共 MQTT Broker
在本文中，我们将使用 EMQ 提供的免费公共 MQTT Broker，它基于完全托管的 MQTT 云服务 - EMQX Cloud 创建。服务器信息如下：

Server: broker.emqx.ioTCP Port: 1883WebSocket Port: 8083SSL/TLS Port: 8883Secure WebSocket Port: 8084

准备 MQTT 客户端

在本文中，我们将使用 MQTTX 提供的支持浏览器访问的 MQTT 客户端工具，访问地址为 http://www.emqx.io/online-mqtt-client 。 MQTTX 还提供了桌面客户端和命令行工具。

MQTTX 是一款跨平台的 MQTT 5.0 桌面客户端，可在 macOS、Linux、Windows 操作系统上运行。其用户友好的聊天式界面使用户能够轻松创建多个 MQTT/MQTTS 连接，并进行 MQTT 消息的订阅和发布。

在这里插入图片描述

目前，各种编程语言都拥有成熟的开源 MQTT 客户端库。我们在流行的 MQTT 客户端库和 SDK 中精选了多个编程语言的 MQTT 客户端库，并提供了详细的代码示例，旨在帮助您快速了解 MQTT 客户端的使用。

创建 MQTT 连接

在使用 MQTT 协议进行通信之前，客户端需要创建一个 MQTT 连接来连接到 Broker。

在浏览器中打开 http://www.emqx.io/online-mqtt-client , 点击页面中间的 New Connection 按钮，将看到如下页面。

在这里插入图片描述

我们在 Name 中输入 Simple Demo，然后点击右上角的 Connect 按钮，建立一个 MQTT 连接。如下图所示，表示连接成功。

在这里插入图片描述

通过通配符订阅主题

接下来，我们在上面创建的 Simple Demo 连接中通过通配符订阅主题 sensor/+/temperature，这样就可以接收所有传感器发送的温度数据了。

如下图所示，点击 New Subscription 按钮，在弹出框中的 Topic 字段中输入主题 sensor/+/temperature，QoS 保持默认值 0。

在这里插入图片描述

订阅成功后，会在订阅列表的中间看到新增了一条记录。

在这里插入图片描述

发布 MQTT 消息

接下来，我们点击左侧菜单上的 + 按钮创建两个连接，分别命名为 Sensor 1 和 Sensor 2，用来模拟两个温度传感器。

在这里插入图片描述

连接创建成功后，会看到三个连接，每个连接左侧的在线状态指示灯都是绿色的。

在这里插入图片描述

选择 Sensor 1 连接，在页面下方的发布主题中输入 sensor/1/temperature，在消息框中输入以下 JSON 格式的消息，然后点击右下方的发布按钮发送消息。

{"msg": "17.2"
}

在这里插入图片描述

如下图所示，消息发送成功。

在这里插入图片描述

使用相同的步骤，在 Sensor 2 连接中发布以下 JSON 消息到 sensor/2/temperature 主题。

{"msg": "18.2"
}

您会看到 Simple Demo 连接收到两条新消息。

在这里插入图片描述

点击 Simple Demo 连接，会看到两个传感器发送的两条消息。

在这里插入图片描述

MQTT 功能演示

保留消息

当 MQTT 客户端向服务器发布消息时，可以设置保留消息标志。保留消息存储在消息服务器上，后续订阅该主题的客户端仍然可以收到该消息。

如下图所示，我们在 Sensor 1 连接中勾选 Retain 选项，然后向 retained_message 主题发送两条消息。

在这里插入图片描述

接着，我们在 Simple Demo 连接中订阅 retained_message 主题。订阅成功后，会收到 Sensor 1 发送的第二条保留消息，这说明服务器只会为主题保留最近的一条保留消息。

在这里插入图片描述

Clean Session

MQTT 客户端通常只能在在线状态下接收其它客户端发布的消息。如果客户端离线后重新上线，它将无法收到离线期间的消息。

但是，如果客户端连接时设置 Clean Session 为 false，并且使用相同的客户端 ID 再次上线，那么消息服务器将为客户端缓存一定数量的离线消息，并在它重新上线时发送给它。

本次演示使用的公共 MQTT 服务器设置为缓存 5 分钟的离线消息，最大消息数为 1000 条，且不保存 QoS 0 消息。

下面，我们创建一个 MQTT 3.1.1 连接，并用 QoS 1 来演示 Clean Session 的使用。

MQTT 5.0 中将 Clean Session 拆分成了 Clean Start 与 Session Expiry Interval。

创建一个名为 MQTT V3 的连接，设置 Clean Session 为 false，选择 MQTT 版本为 3.1.1。

在这里插入图片描述

连接成功后，订阅 clean_session_false 主题，并将 QoS 设置为 1。

在这里插入图片描述

订阅成功后，点击右上角的断开按钮，断开连接。

在这里插入图片描述

然后，创建一个名为 MQTT_V3_Publish 的连接，MQTT 版本也设置为 3.1.1。连接成功后，向 clean_session_false 主题发布三条消息。

在这里插入图片描述

接着，选择 MQTT_V3 连接，点击连接按钮重新连接到服务器，会收到三条离线消息。

在这里插入图片描述

遗嘱消息

MQTT 客户端在向服务器发起 CONNECT 请求时，可以选择是否发送遗嘱消息标志，并指定遗嘱消息的主题和有效载荷。

如果 MQTT 客户端异常离线（在断开连接前没有向服务器发送 DISCONNECT 消息），MQTT 服务器会发布遗嘱消息。

我们创建一个名为 Last Will 的连接来演示这个功能。为了快速看到效果，我们把 Keep Alive 设置为 5 秒。

Last-Will Topic 设置为 last_will。
Last-Will QoS 设置为 1。
Last-Will Retain 设置为 true。
Last-Will Payload 设置为 offline。

在这里插入图片描述

连接成功后，我们断开电脑网络超过 5 秒（模拟客户端异常断开连接），然后再恢复网络。

接着启动 Simple Demo 连接，并订阅 last_will 主题。您会收到 Last Will 连接设置的遗嘱消息。

在这里插入图片描述
本文详细介绍了 MQTT 的基本概念和使用流程，您可以按照本文所学的内容尝试使用 MQTT 协议。