MQTT协议是用来做什么的？此协议常用的概念有哪些？

前言

本文适合刚刚学习MQTT协议的小白！（如果用途之类的描述不太清楚，可以直接从常用的概念处开始查看）

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议是一种轻量级的通信协议，广泛应用于物联网（IoT）、工业自动化、智能家居等领域。

主要用途

1. 实现设备与设备之间的通信

• 设备间消息传递：允许不同类型的设备（如传感器、控制器、执行器等）之间进行消息的发送和接收。例如，一个温湿度传感器可以将采集到的数据通过 MQTT 发送给一个空调控制器，控制器根据数据调整空调的工作状态。
• 分布式系统协调：在分布式系统中，多个设备可以使用 MQTT 协议进行协同工作。比如在智能家居系统中，智能门锁、智能灯、智能窗帘等设备可以通过 MQTT 协议相互配合，实现自动化场景控制。

2. 设备与服务器之间的数据传输

• 数据上报：设备可以将采集到的数据（如传感器数据、状态信息等）发送到服务器。例如，工业现场的传感器可以将生产过程中的温度、压力、流量等数据通过 MQTT 协议实时上传到服务器，供监控系统进行分析和处理。
• 指令下发：服务器也可以通过 MQTT 协议向设备发送指令，控制设备的行为。比如服务器可以向智能家电发送开关机指令、调整参数指令等。

3. 支持低带宽和高延迟网络环境

• 轻量级特性：MQTT 协议的报文结构简单，头部信息仅2字节，相比 HTTP 等协议，数据传输量小，适合在带宽有限的网络中使用。例如在偏远地区的物联网设备，通过低带宽的网络（如 NB-IoT）可以高效地传输数据。
• 高延迟容错：即使网络延迟较高，MQTT 协议也能保证消息的可靠传输。它通过消息确认机制（如 QoS 等级）确保消息不会丢失，适用于网络不稳定或延迟较大的场景。

4. 实现消息的发布/订阅模式

• 解耦设备与应用：设备作为消息的发布者，将数据发布到特定的主题（Topic）上；应用作为订阅者，订阅感兴趣的主题获取消息。这种方式使得设备和应用之间解耦，便于扩展和维护。例如，多个不同的应用可以同时订阅同一传感器发布的数据，而无需关心数据的来源。
• 灵活的消息分发：可以根据主题的层次结构进行消息的分发和过滤。例如，主题可以分为"家庭/客厅/温度"、"家庭/卧室/温度"等，订阅者可以根据需要订阅特定层次的主题，获取相关的消息。

5. 支持多种消息服务质量（QoS）等级

• QoS 0（最多一次）：消息发送后不保证接收方一定收到，适用于对消息可靠性要求不高的场景，如设备状态更新等。
• QoS 1（至少一次）：确保消息至少被接收方接收一次，可能会出现重复消息，适用于对消息可靠性有一定要求的场景，如设备控制指令等。
• QoS 2（恰好一次）：确保消息被接收方接收一次且仅一次，适用于对消息可靠性要求极高的场景，如金融交易数据等。

6. 实现设备的远程监控和管理

• 实时监控：通过 MQTT 协议，服务器可以实时接收设备发送的数据，实现对设备的实时监控。例如，监控工业设备的运行状态、能源消耗等。
• 远程管理：服务器可以通过 MQTT 协议向设备发送指令，实现对设备的远程管理，如远程升级设备固件、配置设备参数等。

常用的概念

1. 客户端（Client）

客户端是MQTT通信中的一个实体，它可以是传感器、设备、应用程序或其他任何能够发送或接收消息的软件。客户端可以分为以下几类：

• 发布者（Publisher）：负责向服务器（Broker）发送消息的客户端。发布者可以是传感器设备，将采集到的数据（如温度、湿度等）作为消息发送出去。
• 订阅者（Subscriber）：负责从服务器接收消息的客户端。订阅者可以根据自己的需求订阅特定主题的消息，当有匹配的消息发布时，服务器会将消息推送给订阅者。
• 同时具备发布和订阅功能的客户端：在实际应用中，很多客户端既可以发布消息，也可以订阅消息。例如，一个智能家居设备可以将自身状态信息（如开关状态）发布出去，同时也可以订阅控制指令消息。

2. 服务器（Broker）

服务器是MQTT通信的核心组件，它负责接收客户端发布的消息，并将消息分发给订阅了相应主题的客户端。服务器的主要功能包括：

• 消息中转：接收发布者发送的消息，并根据消息的主题将其转发给订阅者。
• 客户端管理：管理客户端的连接、断开连接、认证和授权等操作。
• 主题管理：维护主题的订阅关系，确保消息能够正确地分发给订阅者。

3. 主题（Topic）

主题是MQTT中用于标识消息分类的字符串，它类似于消息的"地址"。客户端通过主题来发布和订阅消息。主题具有以下特点：

• 层次结构 ：主题可以使用正斜杠（/）来分隔不同的层次，形成树状结构。例如，home/living_room/temperature 表示家庭客厅的温度主题。
• 通配符 ：MQTT支持两种通配符：
  • 单层通配符（+） ：用于匹配主题中的单个层次。例如，home/living_room/+/temperature 可以匹配 home/living_room/1/temperature、home/living_room/2/temperature 等。
  • 多层通配符（#） ：用于匹配主题中的多个层次。例如，home/# 可以匹配所有以 home 开头的主题，如 home/living_room/temperature、home/kitchen/humidity 等。
• 主题过滤：订阅者可以根据主题过滤规则来订阅消息。服务器会根据订阅者的主题过滤规则，将匹配的消息推送给订阅者。

4. 消息（Message）

消息是客户端之间通信的载体，它由主题（Topic）和消息内容（Payload）组成。消息内容可以是任意格式的数据，例如文本、二进制数据等。消息具有以下特点：

• 消息质量（QoS） ：MQTT定义了三种消息服务质量（QoS）级别，用于控制消息的传输可靠性：
  • QoS 0（最多一次）：消息最多被传输一次，不保证消息一定能够到达接收方。这种级别的消息传输效率最高，但可靠性最低，适用于对消息可靠性要求不高的场景，如传感器数据的快速上报。
  • QoS 1（至少一次）：消息至少被传输一次，接收方可能会收到重复的消息。这种级别的消息可靠性较高，适用于对消息可靠性有一定要求的场景，如设备状态更新。
  • QoS 2（恰好一次）：消息恰好被传输一次，接收方不会收到重复的消息。这种级别的消息可靠性最高，但传输效率相对较低，适用于对消息可靠性要求极高的场景，如金融交易数据传输。
• 消息保留（Retained Message）：客户端可以将消息设置为保留消息。当新的订阅者订阅了该消息的主题时，服务器会将保留消息推送给订阅者，即使该消息是在订阅者之前发布的。保留消息通常用于向新订阅者提供最新的状态信息。

5. 会话（Session）

会话是指客户端与服务器之间的一次连接过程。MQTT支持持久会话（Clean Session = false）和非持久会话（Clean Session = true）：

• 持久会话：客户端与服务器之间保持会话状态，即使客户端断开连接，服务器也会保留该客户端的订阅信息和未送达的消息。当客户端重新连接时，服务器会恢复会话状态，并将未送达的消息推送给客户端。这种会话方式适用于需要保持会话状态的场景，如设备长时间离线后重新连接。
• 非持久会话：客户端与服务器之间不保持会话状态，每次连接都是独立的。当客户端断开连接时，服务器会清除该客户端的订阅信息和未送达的消息。这种会话方式适用于对会话状态要求不高的场景，如临时设备连接。

6. 连接（Connection）

连接是指客户端与服务器之间建立的通信链路。MQTT使用TCP/IP协议来建立连接，客户端通过TCP连接与服务器进行通信。连接具有以下特点：

• 连接保持（Keep-Alive） ：客户端和服务器之间可以通过心跳机制（如PINGREQ和PINGRESP消息）来保持连接的活跃状态。如果在指定的时间内没有收到对方的响应，客户端或服务器可以认为连接已经断开，并采取相应的措施，如重新连接。
• 连接断开（Disconnect） ：客户端可以通过发送DISCONNECT消息来主动断开与服务器的连接。服务器也可以在某些情况下（如客户端长时间未响应）断开客户端的连接。

7. 认证（Authentication）

MQTT支持客户端认证机制，以确保只有合法的客户端能够连接到服务器。常见的认证方式包括：

• 用户名和密码认证：客户端在连接时需要提供用户名和密码，服务器验证用户名和密码的合法性。
• 证书认证：客户端和服务器可以使用数字证书进行双向认证，确保通信的安全性。

8. Last Will and Testament（LWT，遗嘱消息）

遗嘱消息是客户端在连接时设置的一种消息。当客户端异常断开连接时（如网络故障、设备掉电等），服务器会将遗嘱消息发布到指定的主题，通知其他客户端该客户端已经离线。遗嘱消息通常用于设备状态监控场景，例如，当一个传感器设备掉线时，服务器可以将遗嘱消息发送给监控系统，提醒监控人员设备出现故障。

最后

可以先将上面的内容看熟练

这样项目中看到mqtt只会感到亲切，不会害怕这个技术。

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