MQTT 协议详解：物联网通信的利器

可儿·四系桜2025-05-14 19:54

在当今物联网（IoT）迅猛发展的背景下，设备之间的高效、可靠通信变得尤为重要。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）作为一种轻量级的消息传输协议，因其低带宽占用和高可靠性，成为物联网领域中广受欢迎的通信工具。

官网：http://mqtt.org

1. 什么是 MQTT？

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模型的轻量级通信协议，专为资源受限的设备和不可靠网络环境设计。它最初由 Andy Stanford-Clark 和 Arlen Nipper 在 1999 年开发，如今已成为物联网通信的标准协议之一。

MQTT 的核心思想是通过一个中间代理（Broker）来实现消息的分发，从而解耦发送者与接收者。

|-------------------------------------------|-------------------------------------------------------|
| 客户端 | 服务端 |
| 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： | 也称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以： |
| - （1）发布其他客户端可能会订阅的信息； | - （1）接受来自客户的网络连接； |
| - （2）订阅其它客户端发布的消息； | - （2）接受客户发布的应用信息； |
| - （3）退订或删除应用程序的消息； | - （3）处理来自客户端的订阅和退订请求； |
| - （4）断开与服务器连接。 | - （4）向订阅的客户转发应用程序消息。 |

2. 设计原则

  1. 精简，不添加可有可无的功能；
  2. 发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递，解耦Client/Server模式，带来的好处在于不必预先知道对方的存在（ip/port），不必同时运行；
  3. 允许用户动态创建主题（不需要预先创建主题），零运维成本；
  4. 把传输量降到最低以提高传输效率；
  5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；
  6. 支持连续的会话保持和控制（心跳）；
  7. 理解客户端计算能力可能很低；
  8. 提供服务质量（ quality of service level：QoS）管理；
  9. 不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性（指的是应用层业务数据）。

3. MQTT 核心概念

3.1 服务端（Broker）

消息的中转站，负责接收来自客户端的消息，并将消息转发给订阅了相关主题的客户端。

3.2 客户端（Client）

客户端可以是发布者（Publisher）或订阅者（Subscriber），也可以两者兼有。每个客户端都可以连接到 Broker 并进行消息的发布或订阅。

3.3 主题（Topic）

类似于邮件地址的主题字符串，用于标识消息的分类。例如：

  • sensor/temperature
  • home/livingroom/light

3.4 Topic 通配符匹配规则

3.4.1 层级分隔符：/

/ 用来分隔主题树的每一层，并给主题空间提供分等级的结构。当两个通配符在一个主题中出现的时候，主题层次分隔符的使用是很重要的。

html 复制代码 
示例：
love/you/with/all/my/heart

3.4.2 多层通配符：#

多层通配符有可以标识大于等于0的层次。因此，love/# 也可以匹配到单独的 love，此时#代表0层。

多层通配符一定要是主题树的最后一个字符。比如说，love/# 是有效的，但是 love/#/with 是无效的。

html 复制代码 
love/you/# 可匹配如下内容（包括单不限于）：

love/you
love/you/with
love/you/with/all
love/you/with/all/my/heart
love/you/with/all/my/hearts

3.4.3 单层通配符：+

只匹配主题的一层

html 复制代码 
1. love/you/+ :匹配/love/you/with和/love/you/and，但是不匹配love/you/with/all/my/heart。
2. 单层通配符只匹配1层，love/+不匹配love。
3. 单层通配符可以被用于主题树的任意层级，连带多层通配符。它必须被用在主题层级分隔符/的右边，除非它是指定自己。因此，+和love/+都是有效的，但是love+无效。单层通配符可以用在主题树的末端，也可以用在中间。比如说，love/+和love/+/with都是有效。

注意事项：

  1. 主题层次分隔符被用来在主题中引入层次。多层的通配符和单层通配符可以被使用，但他们不能被使用来做发布者的消息。
  2. Topic命名尽量见名知意，符合规范，主题名字是大小写敏感的。比如说，love和LOVE是两个不同的主题。
  3. 以/开头会产生一个不同的主题。比如说，/love与love不同。/love匹配"+/+"和/+,但不匹配+。
  4. 不要在任何主题中包含null(Unicode \x0000)字符。
  5. 在主题树中，长度被限制于64k内但是在这以内没有限制层级的数目。
  6. 可以有任意数目的根节点: 也就是说，可以有任意数目的主题树。

3.5 $SYS 主题

以 $SYS/ 开头的主题为系统主题，系统主题主要用于获取 MQTT 服务器自身运行状态、消息统计、客户端上下线事件等数据。目前，MQTT 协议暂未明确规定 $SYS/ 主题标准，但大多数 MQTT 服务器都遵循该标准建议。

例如，EMQX 服务器支持通过以下主题获取集群状态。

主题 说明
$SYS/brokers EMQX 集群节点列表
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/version EMQX 版本
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/uptime EMQX 运行时间
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/datetime EMQX 系统时间
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/sysdescr EMQX 系统信息

EMQX 还支持客户端上下线事件、收发流量、消息收发、系统监控等丰富的系统主题，用户可通过订阅 $SYS/# 主题获取所有系统主题消息。详细请见：EMQX 系统主题文档。

3.6 QoS（服务质量等级）

MQTT 协议中规定了消息服务质量（Quality of Service），它保证了在不同的网络环境下消息传递的可靠性，QoS 的设计是 MQTT 协议里的重点。

MQTT 设计了 3 个 QoS 等级。

3.6.1 QoS 0（最多一次）

消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失。 一个消息不会被接收端应答，也不会被发送者存储并再发送。这个也被叫做"即发即弃"

3.6.2 QoS 1（至少一次）

确保消息到达，但消息重复可能会发生。发送者将会存储发送的信息直到发送者收到一次来自接收者的PUBACK格式的应答。

3.6.3 QoS 2（恰好一次）

确保消息到达一次。如果接收端接收到了一个QoS为2的PUBLISH消息，它将相应地处理PUBLISH消息，并通过PUBREC消息向发送方确认。

其中：

  • PUBLISH：发布消息
  • PUBREC：发布收到
  • PUBREL：发布释放
  • PUBCOMP：发布完成

3.6.4 QoS 匹配规则总结

不同情况下，客户端收到的消息 QoS 可参考下表：

|---------------|---------------|---------------|
| 发布消息的 QoS | 主题订阅的 QoS | 接收消息的 QoS |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 2 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 2 | 1 |
| 2 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 |
| 2 | 2 | 2 |

MQTT 中的 QoS 是一种灵活的机制，它允许发布者和订阅者独立设置期望的服务质量等级，而最终的消息传输将基于两者之间的最小值进行处理。这种设计既保障了通信的可靠性，也避免了因能力不匹配导致的资源浪费。

3.7 MQTT V3.1.1 协议报文

3.7.1 报文结构

  • 固定报头(Fixed header)
  • 可变报头(Variable header)
  • 报文有效载荷(Payload)

3.7.2 固定报头

html 复制代码 
+----------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
| Bit      |  7  |  6  |  5  |  4  |  3  |  2  |  1  |  0  |
+----------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
| byte1    |   MQTT Packet type    |         Flags         |
+----------+-----------------------+-----------------------+
| byte2... |   Remaining Length                            |
+----------+-----------------------------------------------+

3.7.3 报文类型

类型名称 类型值 报文说明
CONNECT 1 发起连接
CONNACK 2 连接回执
PUBLISH 3 发布消息
PUBACK 4 发布回执
PUBREC 5 QoS2 消息回执
PUBREL 6 QoS2 消息释放
PUBCOMP 7 QoS2 消息完成
SUBSCRIBE 8 订阅主题
SUBACK 9 订阅回执
UNSUBSCRIBE 10 取消订阅
UNSUBACK 11 取消订阅回执
PINGREQ 12 PING 请求
PINGRESP 13 PING 响应
DISCONNECT 14 断开连接

其中：

  • PUBLISH 发布消息：PUBLISH 报文承载客户端与服务器间双向的发布消息。 PUBACK 报文用于接收端确认 QoS1 报文，PUBREC/PUBREL/PUBCOMP 报文用于 QoS2 消息流程。
  • PINGREQ/PINGRESP 心跳：客户端在无报文发送时，按保活周期(KeepAlive)定时向服务端发送 PINGREQ 心跳报文，服务端响应 PINGRESP 报文。PINGREQ/PINGRESP 报文均 2 个字节。

3.8 MQTT WebSocket 连接

MQTT 协议除支持 TCP 传输层外，还支持 WebSocket 作为传输层。通过 WebSocket 浏览器可以直连 MQTT 消息服务器，发布订阅模式与其他 MQTT 客户端通信。

MQTT 协议的 WebSocket 连接，必须采用 binary 模式，并携带子协议 Header:

html 复制代码 
Sec-WebSocket-Protocol: mqttv3.1 或 mqttv3.1.1

4. 物联网级消息中间件EMQ

4.1 EMQX 简介

EMQ X Broker 是基于高并发的 Erlang/OTP 语言平台开发，支持百万级连接和分布式集群架构，发布订阅模式的开源 MQTT 消息服务器。

EMQ官网：EMQ: 连接物理世界与人工智能

EMQX 文档：产品概览 | EMQX 1.0 文档

为什么选择EMQ X ?从支持 MQTT5.0、稳定性、扩展性、集群能力等方面考虑，EMQX 的表现应该是最好的。

4.2 EMQX的特点

  • EMQ X 目前为开源社区中最流行的 MQTT 消息中间件；
  • EMQ X 是开源社区中第一个支持 5.0协议规范的消息服务器，并且完全兼容 MQTT V3.1 和 V3.1.1 协议。
  • 除了 MQTT 协议之外，EMQ X 还支持MQTT-SN、CoAP、 LwM2M、LoRaWAN 和 WebSocket 等物联网协议
  • 单机支持百万连接，集群支持千万级连接；毫秒级消息转发。
  • 易于安装和使用；
  • 中国本地的技术支持服务；
  • 扩展模块和插件，EMQ X 提供了灵活的扩展机制，支持企业的一些定制场景；
  • 桥接
  • 共享订阅

4.3 环境搭建与配置

以 Docker 运行单个 EMQX 节点为例：

  1. 拉取emqx镜像
bash 复制代码 
docker pull emqx/emqx:v4.1.0
  1. 创建emqx容器
bash 复制代码 
docker run -tid --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8883:8883 -p 8084:8084 -p 18083:18083  emqx/emqx:v4.1.0

其中，端口说明：

端口 协议 描述
1883 TCP MQTT over TCP 监听器端口，主要用于未加密的 MQTT 连接。
8883 TCP MQTT over SSL/TLS 监听器端口，用于加密的 MQTT 连接。
8083 TCP MQTT over WebSocket 监听器端口，使 MQTT 能通过 WebSocket 进行通信。
8084 TCP MQTT over WSS (WebSocket over SSL) 监听器端口，提供加密的 WebSocket 连接。
18083 HTTP EMQX Dashboard 和 REST API 端口，用于管理控制台和 API 接口。
4370 TCP Erlang 分布式传输端口，根据节点名称不同实际端口可能是 BasePort (4370) + Offset。
5370 TCP 集群 RPC 端口（在 Docker 环境下为 5369），根据节点名称不同实际端口可能是 BasePort (5370) + Offset。

Docker 部署注意事项：

  1. 如果需要持久化 Docker 容器中生成的数据 ，请将以下目录挂载到容器外部，这样即使容器被删除数据也不会丢失：
Dart 复制代码 
/opt/emqx/data
/opt/emqx/log

启动容器并挂载目录：

Dart 复制代码 
docker run -tid --name emqx \
  -p 1883:1883 -p 8083:8083 \
  -p 8084:8084 -p 8883:8883 \
  -p 18083:18083 \
  -v $PWD/data:/opt/emqx/data \
  -v $PWD/log:/opt/emqx/log \
  emqx/emqx:v4.1.0

EMQX 历史版本：Directory listing for EMQX: / | EMQ

单节点部署：安装部署和迁移 | EMQX文档

集群部署：分布式集群介绍 | EMQX文档

安全认证：安全指南 | EMQX文档

EMQX命令行：命令行 | EMQX文档

配置文件：配置文件简介 | EMQX文档

4.4 EMQX 目录结构

目录 描述 压缩包解压安装**（同 Docker）** 二进制包安装
etc 静态配置文件 ./etc /etc/emqx
data 数据和配置文件 ./data /var/lib/emqx
log 日志文件 ./log /var/log/emqx
releases 启动相关的脚本 ./releases /usr/lib/emqx/releases
bin 可执行文件 ./bin /usr/lib/emqx/bin
lib Erlang 代码 ./lib /usr/lib/emqx/lib
erts-* Erlang 虚拟机文件 ./erts-* /usr/lib/emqx/erts-*
plugins 插件 ./plugins /usr/lib/emqx/plugins

以上目录中，用户经常接触与使用的是 bin、etc、data、log 目录。

4.5 EMQ Dashboard

EMQ X 提供了 Dashboard 以方便用户管理设备与监控相关指标。通过 Dashboard可以查看服务器基本信息、负载情况和统计数据，可以查看某个客户端的连接状态等信息甚至断开其连接，也可以动态加载和卸载指定插件。

访问地址：http://localhost:18083 来查看 Dashboard，默认用户名是 admin，密码是 public。

EMQX Dashboard 详细介绍：EMQX Dashboard | EMQX文档

EMQX Dashboard 之 MQTT 配置：配置和管理会话持久化 | EMQX文档

|-------------|-------------------------------------|
| 导航项目 | 说明 |
| Monitor | 提供了服务端与客户端监控信息的展示页面 |
| RULE ENGINE | 提供了规则引擎的可视化操作页面 |
| MANAGEMENT | 提供了扩展插件与应用的管理页面 |
| TOOLS | 提供了 Websocket 客户端工具以及 HTTP API 速查页面 |
| ADMIN | 提供了 Dashboard 用户管理和显示设置等页面 |

4.6 客户端调试工具MQTTX

MQTT X 是 EMQ 开源的一款优雅的跨平台 MQTT 5.0 桌面客户端，它支持 macOS, Linux, Windows。

MQTT X 的 UI 采用了聊天界面形式，简化了页面操作逻辑，用户可以快速创建连接，允许保存多个客户端，方便用户快速测试 MQTT/MQTTS 连接，及 MQTT 消息的订阅和发布。

下载地址：MQTTX：全功能 MQTT 客户端工具

4.7 基础使用教程

1. 点击 + ，再点击 New Connetion

2. 填写信息并点击右上角的 Connect ，如果无其他需求，仅填写第一页内容即可，其他均为拓展项。

3. 点击 Connect 即可正常使用

界面说明：

4. 发送消息：

5. 订阅消息：

关于切换中文：

4.8 共享订阅

对应文档：共享订阅 | EMQX文档

EMQX 实现了 MQTT 的共享订阅功能。共享订阅是一种订阅模式，用于在多个订阅者之间实现负载均衡。客户端可以分为多个订阅组，消息仍然会被转发到所有订阅组，但每个订阅组内只有一个客户端接收消息。您可以为一组订阅者的原始主题添加前缀以启用共享订阅。EMQX 支持两种格式的共享订阅前缀，分别为带群组的共享订阅（前缀为 $share/<group-name>/）和不带群组的共享订阅（前缀为 $queue/）。两种共享订阅格式示例如下：

前缀格式 示例 前缀 真实主题名
带群组格式 $share/abc/t/1 $share/abc/ t/1
不带群组格式 $queue/t/1 $queue/ t/1

需要在EMQDashboard开启该选项：（默认开启）

4.7.1 不带群组的共享订阅

格式：$queue/{TopicName}

EMQX 的共享订阅支持和策略配置：/etc/emqx.conf

Haskell 复制代码 
# 均衡策略
## Dispatch strategy for shared subscription
##
## Value: Enum
## - random
## - round_robin
## - sticky
## - hash
broker.shared_subscription_strategy=random

|-------------|---------------------|
| 均衡策略 | 描述 |
| random | 在所有订阅者中随机选择 |
| round_robin | 按照订阅顺序轮询 |
| sticky | 一直发往上次选取的订阅者 |
| hash | 按照发布者 ClientID 的哈希值 |

调用示例：

4.7.2 带群组的共享订阅

格式：$share/<group-name>/{TopicName}

调用示例：

4.8 保留消息（Retained Message）

Broker 可以保留某个主题的最后一条消息，当新客户端订阅该主题时，会立即收到这条保留消息。

需要在EMQDashboard开启该选项：(默认开启)

配置示例：

发送消息时勾选 Retain 选项。

4.9 遗嘱消息（Last Will and Testament, LWT）

客户端可以在连接时设置一个"遗嘱"，如果客户端异常断开连接，Broker 将自动发布该遗嘱消息。

配置示例：

  1. 在连接配置时，将页面下拉，在 Last Will and Testament 部分，填写遗嘱消息的配置。
  • 遗嘱消息主题 ：输入 offline。
  • 遗嘱消息 QoS ：保持默认值 0。
  • 遗嘱消息保留标志：默认禁用。如果启用，遗嘱消息也将是一个保留消息。
  • 遗嘱消息 ：输入 I'm offline。
  • 遗嘱消息延迟时间 ：设置为 5 秒。

4.10 排他订阅

排它订阅是 EMQX 支持的 MQTT 扩展功能。排它订阅允许对主题进行互斥订阅，一个主题同一时刻仅被允许存在一个订阅者，在当前订阅者未取消订阅前，其他订阅者都将无法订阅对应主题。

要进行排它订阅，您需要为主题名称添加前缀，如以下表格中的示例：

示例 前缀 真实主题名
$exclusive/t/1 $exclusive/ t/1

当某个客户端 A 订阅 $exclusive/t/1 后，其他客户端再订阅 $exclusive/t/1 时都会失败，直到 A 取消了对 $exclusive/t/1 的订阅为止。

注意:

排它订阅必须使用 $exclusive/ 前缀，在上面的示例中，其他客户端依然可以通过 t/1 成功进行订阅。

4.10.1 订阅失败错误码​

错误码 原因
0x8F 使用了 $exclusive/，但并未开启排它订阅
0x97 已经有客户端订阅了该主题

4.10.2 配置排它订阅

1. 开启排他订阅（默认不支持）

方式一：通过配置文件配置排它订阅

Haskell 复制代码 
mqtt.exclusive_subscription.enable = true

方式二：通过界面配置

  1. 填写 $exclusive/ + 真实主题名

4.11 延迟发布

EMQ X 的延迟发布功能可以实现按照用户配置的时间间隔延迟发布 PUBLISH 报文的功能。模块开启emqx_mod_delayed

通过 Dashboard 配置延迟发布：（默认关闭）

延迟发布主题的具体格式如下：

java 复制代码 
$delayed/{DelayInterval}/{TopicName}

其中：

  • delayed: 使用 delayed 作为主题前缀的消息都将被视为需要延迟发布的消息。
  • {DelayInterval}: 指定该 MQTT 消息延迟发布的时间间隔，单位是秒，允许的最大间隔是 4294967 秒。
  • {TopicName}: MQTT 消息的主题名称。

发送示例：

5. Eclipse Paho

5.1 Eclipse Paho是什么

Eclipse paho 是 EMQX 官方推荐的实现了 mqtt 协议 Java 客户端。

其关系类似于 Mysql 于 JDBC ，我们的项目代码要连接数据库需要用到 JDBC ，而我们的项目需要连接 EMQX 需要用到 Eclipse Paho ，并且它提供了基础的消息收发。

5.2 Eclipse Paho技术调研

全语言编程：MQTT 客户端编程 | EMQX文档

Java 编程：如何在 Java 中使用 Paho MQTT 客户端 | EMQ

1. 添加依赖

XML 复制代码 
<dependency>
  <groupId>org.eclipse.paho</groupId>
  <artifactId>org.eclipse.paho.client.mqttv3</artifactId>
  <version>1.2.5</version>
</dependency>

2. 发布消息到EMQ

java 复制代码 
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClientPersistence;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;

@GetMapping("/publish")
public void publish() throws MqttException {

    MqttClientPersistence persistence = new MemoryPersistence();
    //内存持久化
    MqttClient client = new MqttClient("tcp://localhost:1883", "random123", persistence);

    //连接选项中定义用户名密码和其它配置
    MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
    options.setCleanSession(true);//参数为true表示清除缓存，也就是非持久化订阅者，这个时候只要参数设为true，一定是非持久化订阅者。而参数设为false时，表示服务器保留客户端的连接记录
    options.setAutomaticReconnect(true);//是否自动重连
    options.setConnectionTimeout(30);//连接超时时间  秒
    options.setKeepAliveInterval(10);//连接保持检查周期  秒
    options.setMqttVersion(MqttConnectOptions.MQTT_VERSION_3_1_1); //版本

    client.connect(options);//连接
    client.publish("topic", "发送内容".getBytes(), 2, false);

}

3. 订阅消息

java 复制代码 
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.*;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;


    @GetMapping("/subscribe")
    public void subscribe() throws MqttException {

        MqttClientPersistence persistence = new MemoryPersistence();//内存持久化
        MqttClient client = new MqttClient("tcp://192.168.200.128:1883", "random456", persistence);

        //连接选项中定义用户名密码和其它配置
        MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
        options.setCleanSession(true);//参数为true表示清除缓存，也就是非持久化订阅者，这个时候只要参数设为true，一定是非持久化订阅者。而参数设为false时，表示服务器保留客户端的连接记录
        options.setAutomaticReconnect(true);//是否自动重连
        options.setConnectionTimeout(30);//连接超时时间  秒
        options.setKeepAliveInterval(10);//连接保持检查周期  秒
        options.setMqttVersion(MqttConnectOptions.MQTT_VERSION_3_1_1); //版本

        // 获取全部主题的消息
        client.setCallback(new MqttCallbackExtended() {
            @Override
            public void connectionLost(Throwable throwable) {
                System.out.println("连接丢失！");
            }

            @Override
            public void messageArrived(String topic, MqttMessage mqttMessage) throws Exception {
                System.out.println("接收到消息  topic:" + topic + "  id:" + mqttMessage.getId() + " message:" + mqttMessage.toString());
            }

            @Override
            public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken iMqttDeliveryToken) {

            }

            @Override
            public void connectComplete(boolean b, String s) {
                System.out.println("连接成功！");
            }
        });
        client.connect(options);//连接
        client.subscribe("test");  //订阅主题
        // 方式二：只获取当前主题的消息
//        client.subscribe("test", new IMqttMessageListener() {
//            @Override
//            public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
//                System.out.println("接收到消息  topic:" + topic + "  id:" + message.getId() + " message:" + message.toString());
//            }
//        });
    }

注意：

  1. 同一个 Topic 重复订阅会覆盖。

  2. clientId 保证唯一，否则容易将其他相同 clientId 的连接顶掉。

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