前言

MQTT协议及其在物联网中的应用

内容

原文链接：A Brief, but Practical Introduction to the MQTT Protocol and its Application to IoT
作者：Ben Howes
译者：孙薇
责编：周建丁（zhoujd@csdn.net）

MQTT （Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是一种标准化的发布/订阅消息传输协议，设计于1999年，最初是为了在卫星之类的物体上使用。它是一个非常轻量级的协议，由于对带宽需求很低，从而成为了 M2M 通信或物联网应用的理想选择，现在已经成为这类场景最常见的协议之一。

本文会对该协议及一些使用范例做以简介，虽然没打算写成 MQTT 的综合性参考指南，但会提供足够的信息，让开发人员了解到如何安装运行这一协议。如果想要更深入地了解，可以参考 HiveMQ 所发布的系列文章。

发布/订阅

发布/订阅，通常也被成为 pub-sub 模式是 MQTT 的核心，除了基于同一个消息代理的发布者和订阅者之外，还有一些其它节点围绕着该消息代理呈星型拓扑分布。这个模型与标准的客户端/服务器迥然不同，一开始看似有些奇怪，但它提供的去耦能力在很多情况下都有巨大的优势。

客户端可以发布或订阅特定的主题（topic，有些类似信息主题），根据使用它们的消息代理来决定谁会收到信息。MQTT 的主题有特定的语法，使用斜杠（/）作为分隔符，整体呈层次结构，非常类似 URL 中的路径格式，因此厨房中的温度传感器也许会发布到类似“sensors/temperature/home/kitchen” 这样的主题。

我们看一个例子：想象一下有一个网络，将全世界的温度传感器连接起来，提供气象服务。所有这些传感器保持与某个消息代理中间件相连接，每隔10分钟报告一次当前的温度。他们基于自身位置按照下面的格式向特定主题发布信息：

sensors/temperature/{country}/{city}/{street name}

那么在伦敦贝克街（BakerStreet）的某个传感器就会向
“sensors/temperature/uk/london/baker_street”发布一条包含当前温度的信息。

MQTT 示例拓扑

气象服务需要保证历史温度数据库的数据最新，因此创建了订阅到 MQTT主题的数据库服务，数据库服务会在收到最新温度信息时发出提示。不过这里存在一个问题：数据库服务需要了解到全世界所有的温度传感器，而将每个传感器订阅到独立的主题会非常复杂，幸好 MQTT 有相应的解决方案：通配符（wildcards）。

通配符

在 MQTT 中有两个可用的通配符，分别是+和#，+表示匹配单一层级中的任意主题，#表示匹配任意数量的层次。因此在全球温度数据库中可能会有订阅到 sensors/temperature/#的服务，它能从全世界的任何一个传感器接收温度读数。但如果英国政府想要在自己的温度服务中利用这些数据，只要订阅到
sensors/temperature/uk/#，就可以限制范围，只接受英国的传感器读数。如果某个服务想要接收某个特定位置所有类型的传感器数据，可以使用类似这样的格式：

sensors/+/uk/london/bakerstreet_

正如你所见，这是一个极优秀的模块化系统，添加新的传感器与数据库只是小事一桩。而且该系统在性能方面也很优秀，MQTT消息代理可以高度并行化并采用事件驱动，从而使得单个消息代理可以轻易扩展到每秒处理数万条信息的级别。

服务质量（QoS）

MQTT 的设计初衷是为了在不可靠的网络中运作良好，为不同的场景提供了三个级别的服务质量，允许客户端指定自己想要的可靠性级别。

QoS Level 0：至多一次

这是最简单的级别，无需客户端确认，其可靠性与基础网络层 TCP/IP 一致。

QoS Level 1：至少一次，有可能重复

确保至少向客户端发送一次信息，不过也可发送多次；在接收数据包时，需要客户端返回确认消息（ACK包）。这种方式常用于传递确保交付的信息，但开发人员必须确保其系统可以处理重复的数据包。

QoS Level 2：只有一次，确保消息只到达一次

这是最不常见的服务质量级别，确保消息发送且仅发送一次。这种方法需要交换4个数据包，同时也会降低消息代理的性能。由于相对比较复杂，在MQTT 实现中通常会忽略这个级别，请确保在选择数据库或消息代理前检查这个问题。

在 MQTT 中的服务质量水平划分

“临终遗嘱”信息

该协议提供了检测方式，利用KeepAlive机制在客户端异常断开时发现问题。因此当客户端电量耗尽、崩溃或者网络断开时，消息代理会采取相应措施。

客户端会向任意点的消息代理发送“临终遗嘱”（LWT）信息，当消息代理检测到客户端离线（连接并未关闭），就会发送保存在特定主题上的LWT信息，让其它客户端知道该节点已经意外离线。

安全性

MQTT（及通常的物联网设备）的安全性是一个相当大的主题，之后我们会详加描述，不过在本文中仅涉及两个主要的安全性功能：身份验证与加密。

身份验证是通过在 MQTT连接包中发送用户名与密码来实现，几乎所有消息代理与客户端在实现时都支持这一功能。但由于信息太容易被拦截，为了避免，应当尽可能地使用安全传输层协议（TLS）。

协议本身未提供加密功能，但由于MQTT是在TCP上层运行的，我们可以很容易地利用TLS来提供加密连接。但这确实增加了发送与接收信息的计算复杂性，不但在约束系统中会造成问题，还会影响消息代理的性能。稍后我们会就这个问题进行更多讨论。

消息代理软件

有许多不同方式实现的可用消息代理，最常见的系统包括：

Mosquitto —— 这是最早在生产环境中可用的消息代理之一，以 C 语言编写，提供多种配置与高性能。
Mosca —— 以Node.js编写，可嵌入Node应用或以独立可执行文件的形式运行。由于配置简单并具有可扩展性，它也是我们最喜欢的消息代理，具有高性能的优点。
RSMB —— IBM对MQTT协议的实现，也是最不常用的选项之一，不过它是一个用C语言编写的成熟系统。
HiveMQ —— HiveMQ是一种相对较新的消息代理，面向企业环境，在博客上有很多关于 MQTT 不错的信息。

客户端库

几乎包含了所有流行语言的客户端库，想要具体了解的话，Paho项目会是你的最佳选择。这个项目隶属于Eclipse，旨在提供各种语言尽可能多样化的 MQTT 客户端实现参考。这是个很好的资源，包含以C、Java、Python、Javascript等语言编写的可用客户端。

结论

MQTT是一个理想的协议，它在物联网与M2M通信中的应用是无限的。如果你需要轻量级的消息传输系统，那么它会是很好的选择，而且在未来几年中很可能会流行起来。希望本文能帮助读者对 MQTT 做以了解。