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MQTT协议及其在物联网中的应用

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(Baker Street)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。