物聯網協議介紹-MQTT 協議的概念與應用

一、MQTT 協議概念

 

MQTT 協議的全稱是 Message Queuing Telemetry Transport，翻譯為消息隊列傳輸探測，它是 ISO 標準下的一種基于發布 - 訂閱模式的消息協議，它是基于 TCP/IP 協議簇的，它是為了改善網絡設備硬件的性能和網絡的性能來設計的。MQTT 一般多用于 IoT 即物聯網上，廣泛應用于工業級別的應用場景，比如汽車、制造、石油、天然氣等。

 

在了解了 MQTT 的概念和應用場景后，我們下來就來走進 MQTT 的學習中了，先來看一下 MQTT 有哪些概念。

 

二、MQTT 基礎

 

上面我們解釋了 MQTT 協議的基本概念，MQTT 協議總結一點就是一種輕量級的二進制協議，MQTT 協議與 HTTP 相比具有一個明顯的優勢：數據包開銷較小，數據包開銷小就意味著更容易進行網絡傳輸。還有一個優勢就是 MQTT 在客戶端容易實現，而且具有易用性，非常適合當今資源有限的設備。

 

你可能對這些概念有些諱莫如深，為什么具有 xxx 這種特性呢？這就需要從 MQTT 的設計說起了。

 

MQTT 協議由 Andy Stanford-Clark (IBM) 和 Arlen Nipper（Arcom，現為 Cirrus Link）于 1999 年發明。他們需要一種通過衛星連接石油管道的協議，以最大限度地減少電池損耗和帶寬。所以他們為這個協議規定了幾種要求：

 

1、這個協議必須易于實現；

 

2、這個協議中的數據必須易于傳輸，消耗成本小；

 

3、這個協議必須提供服務質量管理；

 

4、這個協議必須支持連續的會話控制；

 

5、假設數據不可知，不強求傳輸數據的類型與格式，保持靈活性。

 

這些設計也是 MQTT 的精髓所在，MQTT 經過不斷的發展，已經成為了物聯網 IoT 所必備的一種消息探測協議，官方強烈推薦使用的版本是 MQTT 5。

 

三、發布 - 訂閱模式

 

發布 - 訂閱模式，我相信接觸消息中間件架構的同學都聽過，這是一種傳統的客戶端 - 服務器架構的替代方案，因為一般傳統的客戶端-服務器是客戶端能夠直接和服務器進行通信。

 

但是發布 - 訂閱模式 pub/sub就不一樣了，發布訂閱模式會將發送消息的發布者 publisher與接收消息的訂閱者 subscribers進行分離，publisher 與 subscribers 并不會直接通信，他們甚至都不清楚對方是否存在，他們之間的交流由第三方組件 broker 代理。

 

pub/sub 最重要的方面是 publisher 與 subscriber 的解藕，這種耦合度有下面三個維度：

 

1、空間解耦

 

publisher 與 subscriber 并不知道對方的存在，例如不會有 IP 地址和端口的交互，也更不會有消息的交互。

 

2、時間解藕

 

publisher 與 subscriber 并不一定需要同時運行。

 

3、同步 Synchronization 解藕

 

兩個組件的操作比如 publish 和 subscribe 都不會在發布或者接收過程中產生中斷。

 

總之，發布/訂閱模式消除了傳統客戶-服務器之間的直接通信，把通信這個操作交給了 broker 進行代理，并在空間、時間、同步三個維度上進行了解藕。

 

四、可拓展性

 

pub/sub 比傳統的客戶端-服務器模式有了更好的拓展，這是由于 broker 的高度并行化，并且是基于事件驅動的模式。可拓展性還體現在消息的緩存和消息的智能路由，還可以通過集群代理來實現數百萬的連接，使用負載均衡器將負載分配到更多的單個服務器上，這就是 MQTT 的深度應用了。

 

你可能不明白什么是事件驅動，我在這里解釋下事件驅動的概念。

 

事件驅動是一種編程范式，編程范式是軟件工程中的概念，它指的是一種編程方法或者說程序設計方式，比如說面向對象編程和面向過程編程就是一種編程范式，事件驅動中的程序流程會由諸如用戶操作（點擊鼠標、鍵盤）、傳感器輸出或者從其他程序或傳遞的消息事件決定。事件驅動編程是圖形用戶界面和其他應用程序比如 Web 中使用的主要范式，這些應用程序能夠響應用戶輸入執行某些操作為中心，這同時也適用于驅動程序的編程。

 

五、消息過濾

 

在 pub/sub 的架構模式中，broker 扮演著至關重要的作用，其中非常重要的一點就是 broker 能夠對消息進行過濾，使每個訂閱者只接收自己感興趣的消息。broker 有幾個可以過濾的選項：

 

1、基于主題的過濾

 

MQTT 是基于 subject 的消息過濾的，每條消息都會有一個 topic ，接收客戶端會向 borker 訂閱感興趣的 topic，訂閱后，broker 就會確保客戶端收到發布到 topic 中的消息。

 

2、基于內容的過濾

 

在基于內容的過濾中，broker 會根據特定的內容過濾消息，接受客戶端會經過過濾他們感興趣的內容。這種方法的一個顯著的缺點就是必須事先知道消息的內容，不能加密或者輕易修改。

 

3、基于類型的過濾

 

在使用面向對象的語言時，基于消息（事件）的類型過濾是一種比較常見的過濾方式。

 

為了發布/訂閱系統的挑戰，MQTT 具有三個服務質量級別，你可以指定消息從客戶端傳到 broker 或者從 broker 傳到客戶端，在 topic 的訂閱中，會存在 topic 沒有 subscriber 訂閱的情況，作為 broker 必須知道如何處理這種情況。

 

六、MQTT 與消息隊列的區別

 

我們現在知道，MQTT 是一種消息隊列傳輸探測協議，這種協議是看似是以消息隊列為基礎，但卻與消息隊列有所差別。

 

在傳統的消息隊列模式中，一條消息會存儲在消息隊列中等待被消費，每個傳入的消息都存儲在消息隊列中，直到它被客戶端（通常稱之為消費者）所接收，如果沒有客戶端消費消息的話，這條消息就會存在消息隊列中等待被消費。但是在消息隊列中，不會存在消息沒有客戶端消費的情況，但是在 MQTT 中，卻存在 topic 無 subscriber 訂閱的情況。

 

在傳統的消息隊列模式中，一條消息只能被一個客戶端所消費，負載會分布在隊列的每個消費者之間；而在 MQTT 中，每個訂閱者都會收到消息，每個訂閱者有相同的負載。

 

在傳統的消息隊列模式中，必須使用單獨的命令來顯式創建隊列，只有隊列創建后，才可以生產或者消費消息；而在 MQTT 中，topic 比較靈活，可以即時創建。