使用背景

MQTT最初是为了解决物联网（IoT）领域设备之间的低带宽、高延迟、不稳定网络连接等问题而设计的。

场景介绍

广泛应用物联网领域，数据实时传输，连接各种智能设备和应用的关键桥梁

MQTT简介和概述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息传输协议，它是一种基于发布（Publish）/订阅（Subscribe ）模式的消息传输协议（物联网通信协议），它工作在TCP/IP协议族上，并为低带宽、高延迟或不稳定的网络环境提供了可靠的消息传输服务。MQTT协议是基于TCP/IP协议栈构建的，可以在不同的设备和平台之间进行通信。凭借简单易实现、支持 QoS、报文小等特点，占据了物联网协议的半壁江山. MQTT在物联网方向的开发出现的频率非常高, 因此从事该行业方向开发有必要对其进行下系统的学习。

MQTT的主要特点是什么？

MQTT协议的主要特点是轻量级、简单、灵活和可扩展。它使用了发布/订阅的消息传递模式，这意味着消息的发送者（发布者）和接收者（订阅者）不需要直接进行连接，而是通过代理（Broker）进行消息的转发。这种设计使得MQTT非常适合于物联网场景，因为物联网中的设备通常具有不同的通信能力和需求。
● 开放消息协议，简单易实现
● 发布订阅模式，一对多消息发布
● 基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。
● 1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。
● 消息QoS支持，可靠传输保证

注意:
1、 主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。
2、 关于Qos,需要指出的是三种消息发布质量。

QoS消息发布质量介绍
● QoS0：“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要用于普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，即使再次联网也收不到了。

● QoS1：“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

● QoS2：“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

MQTT的基本原理是什么？

MQTT的基本原理是发布/订阅模式。在MQTT中，消息发布者（Publisher）将消息发布到一个主题（Topic）上，而消息订阅者（Subscriber）则订阅这个主题，当有新的消息发布到这个主题上时，订阅者将会收到这个消息。MQTT的消息传递过程如下：

● 发布者将消息发送到MQTT Broker（代理服务器）上，并指定消息发布的主题。
● 订阅者通过订阅相应的主题，向MQTT Broker注册对该主题的订阅。
● 当有新的消息发布到该主题时，MQTT Broker会将消息发送给所有订阅了该主题的订阅者。

MQTT协议使用TCP/IP协议栈进行通信，因此在使用MQTT协议时需要建立TCP连接。MQTT协议支持三种不同的服务质量级别（QoS级别），可以根据需求选择适当的级别。当消息发布者发布消息时，可以指定消息的QoS级别，用于保证消息的可靠性和传递的顺序。

MQTT协议还支持保留消息（Retained Messages）和遗嘱消息（Last Will and Testament）。保留消息是指最新的消息将一直保存在服务器上，新的订阅者可以获取最新的消息。遗嘱消息是指在客户端异常断开连接时自动发送一条消息，用于通知其他订阅者该客户端已经离线。

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：
● Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
● payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

网络链接

由底层传输协议提供给MQTT使用的架构

● 底层传输协议能够连通客户端和服务端
● 底层传输协议提供有序的，可靠的，双向字节流

应用消息

指通过MQTT在网络中传输的应用程序数据。 当应用消息通过MQTT传输的时候会附加上质量服务（QoS）和话题名称。

客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以

● 发布, 订阅消息
● 退订和删除应用程序消息
● 断开和服务器连接

服务端

MQTT服务器被称为"消息代理"（Broker），它可以是一个应用程序或一台设备。是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

● 接收客户端消息
● 处理客户端订阅和退订请求
● 向订阅的客户端转发消息

主题名

指附着于应用消息的标签，服务端用它来匹配订阅。服务端给每个匹配到的客户端发送一份应用信息的拷贝。

主题过滤器

是包含在订阅里的一个表达式，用来表示一个或多个感兴趣的话题。话题过滤器可以包含通配符。

MQTT控制包

通过网络连接发送的包含一定信息的数据包。MQTT规范定义了14个不同类型的控制包，其中一个（PUBLISH包）用来传输应用信息。

发布/订阅、主题、会话

mqtt工作流程

● 客户端发送连接请求到服务器, 在服务器确认(认证)后则建立连接.
● 之后客户端则可以将消息以主题的形式 发布 到服务器 broker
● 然后其他客户端则可以 订阅 相关主题, 接收对应主题的信息(依照订阅发布模型)
● 同时消息服务器broker 会接收客户端的心跳请求并返回心跳响应, 用于监测客户端,服务器健康状况.

MQTT有什么优点？

1、轻量级
MQTT协议非常轻量级，传输的数据包头很小，通信的负载也很小，适用于各种网络环境。
2、发布/订阅模式
MQTT协议采用发布/订阅模式，可以实现多个客户端之间的消息传递。
3、QoS级别
MQTT协议支持三种不同的服务质量级别（QoS级别），可以根据需求选择适当的级别。
4、保留消息
MQTT协议支持保留消息，可以将最新的消息保留在服务器上，新的订阅者可以获取最新的消息。
5、遗嘱消息
MQTT协议支持遗嘱消息，可以在客户端异常断开连接时自动发送一条消息。
6、安全性
MQTT协议支持TLS/SSL加密，可以保证通信的安全性。
7、易于实现和部署
MQTT协议的实现和部署都非常容易，可以适用于各种物联网应用场景。
8、开放性
MQTT协议是一个开放的标准，可以与其他协议和系统进行集成。

MQTT有什么缺点？

1、可扩展性有限
MQTT协议的可扩展性有限，不适合大规模的物联网应用。
2、不支持请求/响应模式
MQTT协议不支持请求/响应模式，限制了一些应用场景。
3、不支持消息队列
MQTT协议不支持消息队列，限制了一些应用场景。
4、消息传递的延迟
由于MQTT协议的发布/订阅模式，消息传递的延迟可能会比较大，不适合实时性要求较高的应用场景。

MQTT应用领域有哪些？

传感器数据的采集和传输
许多传感器需要将采集的数据传输到服务器或其他设备中进行处理，MQTT协议可以实现数据的实时传输和管理。
智能家居
MQTT协议可以用于智能家居中各种设备之间的通信和控制，例如智能灯光、智能家电、智能安防等。
智能交通
MQTT协议可以用于智能交通系统中各个设备之间的通信和协作，例如智能导航、智能停车、智能交通灯等。
智能制造
MQTT协议可以用于智能制造中各种设备之间的通信和控制，例如智能生产线、智能仓储等。
物流和供应链
MQTT协议可以用于物流和供应链中各个环节之间的通信和协作，例如智能仓储、智能物流等。
能源管理
MQTT协议可以用于能源管理中各种设备之间的通信和控制，例如智能电网、智能能源监测等。
智慧城市
MQTT协议可以用于智慧城市的建设和管理中，例如智能路灯、智能公交、智能城市管理等。

MQTT的安全认证机制是什么？

用户名和密码认证
MQTT协议可以通过用户名和密码认证机制来确保客户端的身份。在连接MQTT Broker之前，客户端需要提供用户名和密码以进行身份验证。
SSL/TLS加密
MQTT协议可以通过SSL/TLS加密来保证通信的安全性。客户端和MQTT Broker之间的数据传输会被加密，确保数据的机密性和完整性。
X.509证书认证
MQTT协议可以通过X.509证书认证机制来确保客户端和MQTT Broker之间的身份认证和通信安全。
IP过滤
MQTT Broker可以通过IP过滤来限制客户端的访问，确保安全性和可控性。
ACL（访问控制列表）
MQTT Broker可以通过ACL机制来限制客户端的访问权限，确保数据的安全性和保密性。
防火墙
MQTT Broker可以通过防火墙来限制客户端的访问，确保网络的安全性和稳定性。

MQTT的会话和持久化机制是什么？

MQTT协议支持两种类型的会话：非持久化会话和持久化会话。
非持久化会话：当客户端连接到MQTT代理时，会创建一个非持久化会话。这种会话会在客户端断开连接时自动结束，会话中的QoS0消息也会被丢弃。
持久化会话：当客户端连接到MQTT代理时，可以选择创建一个持久化会话。这种会话会在客户端断开连接后继续存在，会话中的QoS1和QoS2消息也会被保存。客户端可以重新连接并恢复未接收的消息。
MQTT代理可以使用持久化机制来保存持久化会话的状态信息，以便在客户端重新连接时恢复会话。这通常是通过将会话状态信息保存在磁盘或数据库中实现的。