MQTT入門篇

物聯網（Internet of Things，IoT）最近曝光率越來越高。雖然HTTP是網頁的事實標准，不過機器之間（Machine-to-Machine，M2M）的大規模溝通需要不同的模式：之前的請求/回答（Request/Response）模式不再合適，取而代之的是發布/訂閱（Publish/Subscribe）模式。這就是輕量級、可擴展的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）可以施展拳腳的舞台。

MQTT簡介

MQTT是基於二進制消息的發布/訂閱編程模式的消息協議，最早由IBM提出的，如今已經成為OASIS規范。由於規范很簡單，非常適合需要低功耗和網絡帶寬有限的IoT場景，比如：

• 遙感數據
• 汽車
• 智能家居
• 智慧城市
• 醫療醫護

由於物聯網的環境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設計原則：

1. 精簡，不添加可有可無的功能。
2. 發布/訂閱（Pub/Sub）模式，方便消息在傳感器之間傳遞。
3. 允許用戶動態創建主題，零運維成本。
4. 把傳輸量降到最低以提高傳輸效率。
5. 把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在內。
6. 支持連續的會話控制。
7. 理解客戶端計算能力可能很低。
8. 提供服務質量管理。
9. 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。

運用MQTT協議，設備可以很方便地連接到物聯網雲服務，管理設備並處理數據，最后應用到各種業務場景，如下圖所示：

發布/訂閱模式

與請求/回答這種同步模式不同，發布/訂閱模式解耦了發布消息的客戶（發布者）與訂閱消息的客戶（訂閱者）之間的關系，這意味着發布者和訂閱者之間並不需要直接建立聯系。打個比方，你打電話給朋友，一直要等到朋友接電話了才能夠開始交流，是一個典型的同步請求/回答的場景；而給一個好友郵件列表發電子郵件就不一樣，你發好電子郵件該干嘛干嘛，好友們到有空了去查看郵件就是了，是一個典型的異步發布/訂閱的場景。

熟悉編程的同學一定非常熟悉這種設計模式了，因為它帶來了這些好處：

• 發布者與訂閱者不必了解彼此，只要認識同一個消息代理即可。
• 發布者和訂閱者不需要交互，發布者無需等待訂閱者確認而導致鎖定。
• 發布者和訂閱者不需要同時在線，可以自由選擇時間來消費消息。

主題

MQTT是通過主題對消息進行分類的，本質上就是一個UTF-8的字符串，不過可以通過反斜杠表示多個層級關系。主題並不需要創建，直接使用就是了。

主題還可以通過通配符進行過濾。其中，+可以過濾一個層級，而#只能出現在主題最后表示過濾任意級別的層級。

舉個例子：

• building-b/floor-5：代表B樓5層的設備。
• +/floor-5：代表任何一個樓的5層的設備。
• building-b/#：代表B樓所有的設備。

注意，MQTT允許使用通配符訂閱主題，但是並不允許使用通配符廣播。

服務質量

為了滿足不同的場景，MQTT支持三種不同級別的服務質量（Quality of Service，QoS）為不同場景提供消息可靠性：

• 級別0：盡力而為。消息發送者會想盡辦法發送消息，但是遇到意外並不會重試。
• 級別1：至少一次。消息接收者如果沒有知會或者知會本身丟失，消息發送者會再次發送以保證消息接收者至少會收到一次，當然可能造成重復消息。
• 級別2：恰好一次。保證這種語義肯定會減少並發或者增加延時，不過丟失或者重復消息是不可接受的時候，級別2是最合適的。

服務質量是個老話題了。級別2所提供的不重不丟很多情況下是最理想的，不過往返多次的確認一定對並發和延遲帶來影響。級別1提供的至少一次語義在日志處理這種場景下是完全OK的，所以像Kafka這類的系統利用這一特點減少確認從而大大提高了並發。級別0適合雞肋數據場景，食之無味棄之可惜，就這么着吧。

消息類型

MQTT擁有14種不同的消息類型：

1. CONNECT：客戶端連接到MQTT代理
2. CONNACK：連接確認
3. PUBLISH：新發布消息
4. PUBACK：新發布消息確認，是QoS 1給PUBLISH消息的回復
5. PUBREC：QoS 2消息流的第一部分，表示消息發布已記錄
6. PUBREL：QoS 2消息流的第二部分，表示消息發布已釋放
7. PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分，表示消息發布完成
8. SUBSCRIBE：客戶端訂閱某個主題
9. SUBACK：對於SUBSCRIBE消息的確認
10. UNSUBSCRIBE：客戶端終止訂閱的消息
11. UNSUBACK：對於UNSUBSCRIBE消息的確認
12. PINGREQ：心跳
13. PINGRESP：確認心跳
14. DISCONNECT：客戶端終止連接前優雅地通知MQTT代理