MQTT（轻量级消息中间件）基本使用指南

文章目录

[MQTT 介绍](#MQTT 介绍)
- [MQTT 核心特性](#MQTT 核心特性)
- [MQTT 核心组件](#MQTT 核心组件)
- QoS（服务质量）等级
- 连接与会话管理
- 消息结构
- 安全机制
- [MQTT 在空气净化器小程序中的应用示例](#MQTT 在空气净化器小程序中的应用示例)
- [为什么 MQTT 适合物联网？](#为什么 MQTT 适合物联网？)
- [MQTT 服务端选型](#MQTT 服务端选型)
- - [开源 MQTT 服务端（适合自建部署）](#开源 MQTT 服务端（适合自建部署）)
  - [云服务商托管 MQTT 服务（适合无需自建运维）](#云服务商托管 MQTT 服务（适合无需自建运维）)
  - [轻量级 / 嵌入式 MQTT 服务端（适合边缘设备）](#轻量级 / 嵌入式 MQTT 服务端（适合边缘设备）)
  - 选型建议
[Eclipse Mosquitto 介绍](#Eclipse Mosquitto 介绍)
- 核心特性
- 核心组件与工具
- 典型配置示例
- 部署
- - [Docker run 部署](#Docker run 部署)
  - [Docker 编排文件部署](#Docker 编排文件部署)
- 优缺点与适用场景
[MQTT 可视化客户端（MQTTX）的安装与使用](#MQTT 可视化客户端（MQTTX）的安装与使用)

MQTT 介绍

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是一种轻量级的发布 / 订阅模式（Pub/Sub） 消息传输协议，专为低带宽、不稳定网络环境设计，广泛应用于物联网（IoT）、移动设备、传感器网络等场景（如空气净化器、智能家居设备的远程控制）。

MQTT 核心特性

轻量级：协议头部精简（最小仅 2 字节），数据传输效率高，适合硬件资源有限的设备（如传感器、嵌入式设备）。
发布 / 订阅模式：消息发送者（发布者）与接收者（订阅者）解耦，无需直接建立连接，通过 "主题（Topic）" 传递消息。
支持 QoS（服务质量）：提供三级消息可靠性保障，适应不同网络环境。
异步通信：设备可间歇性联网，重连后仍能接收离线期间的关键消息。
双向通信：支持设备向服务器上报数据（如传感器数据）和服务器向设备下发指令（如控制命令）。

MQTT 核心组件

发布者（Publisher）
- 发送消息的设备 / 应用（如空气净化器上报 PM2.5 数据、小程序发送控制指令）。
- 无需知道谁会接收消息，只需指定消息的 "主题（Topic）"。
订阅者（Subscriber）
- 接收消息的设备 / 应用（如服务器接收设备数据、小程序接收设备状态更新）。
- 通过订阅 "主题（Topic）" 声明自己感兴趣的消息。
broker（服务器 / 代理）
- 核心组件，负责接收发布者的消息，根据主题分发给所有订阅者。
- 功能：消息路由、QoS 管理、会话保持、客户端认证等。
- 常见实现：Eclipse Mosquitto、EMQX、AWS IoT Core、阿里云 IoT 平台等。
主题（Topic）
- 消息的分类标识，采用层级结构（类似文件路径），用斜杠（/）分隔，例如：
  - device/airpurifier/123/status（设备 123 的状态上报）
  - device/airpurifier/123/command（向设备 123 下发指令）
- 支持通配符订阅：
  - +：匹配单个层级，如device/+/123/status匹配所有类型设备的 123 号设备状态。
  - #：匹配多个层级（必须在末尾），如device/airpurifier/#匹配该设备的所有主题。

QoS（服务质量）等级

MQTT 定义了 3 种 QoS 等级，用于平衡消息可靠性与传输效率：

QoS 等级	含义	适用场景
QoS 0	最多一次：消息发送后不确认，可能丢失或重复。	非关键数据（如实时温度周期性上报）。
QoS 1	至少一次：消息确保到达，但可能重复（发送方收到接收方确认前会重发）。	重要数据（如设备状态变更）。
QoS 2	刚好一次：消息确保仅到达一次（通过两次握手确认）。	关键指令（如支付、设备控制指令）。

示例：空气净化器的开关机指令需用 QoS 2，确保指令仅执行一次；而 PM2.5 实时数据可用 QoS 0，偶尔丢失不影响整体监控。

连接与会话管理

连接建立
- 客户端（设备 / 小程序后端）通过 TCP 连接到 broker 的指定端口（默认 1883，加密端口 8883）。
- 连接时需发送 CONNECT 报文，包含：
  - clientId：客户端唯一标识（如设备 SN）。
  - cleanSession：是否清除会话（false表示 broker 保存离线消息）。
  - 认证信息（username/password，或更安全的 TLS 双向认证）。
会话保持
- 若 cleanSession=false，broker 会为客户端保存：
  - 未确认的 QoS 1/2 消息。
  - 客户端订阅的主题列表。
- 客户端重连后，broker 会推送离线期间积累的消息（按 QoS 等级处理）。
断开连接
- 客户端发送 DISCONNECT 报文优雅断开，或网络异常时自动断开。
- broker 检测到连接中断后，会根据会话设置决定是否保留消息。

消息结构

MQTT 消息由固定头部 、可变头部 和有效载荷（Payload） 组成：

固定头部：包含消息类型（如 CONNECT、PUBLISH）、QoS 等级、剩余长度等（最小 2 字节）。
可变头部：按需存在，如 PUBLISH 消息的可变头部包含主题名和消息 ID。
有效载荷 ：实际传输的数据（如 JSON 格式的设备状态：{"pm25": 35, "power": "on"}）。

安全机制

传输加密：通过 TLS/SSL（即 MQTTS）加密通信，防止数据被窃听或篡改（端口 8883）。
身份认证：
- 基础认证：客户端连接时提供username/password，broker 验证后允许接入。
- 证书认证：客户端与 broker 双向验证 X.509 证书，适合高安全性场景（如工业设备）。
权限控制：broker 可配置主题访问权限（如设备只能发布自己的状态主题，不能订阅其他设备的指令主题）。

MQTT 在空气净化器小程序中的应用示例

设备上报数据：
- 空气净化器（发布者）定期向主题 device/airpurifier/{sn}/status 发布状态消息（QoS 1）：
  json 复制代码
```
{"pm25": 28, "formaldehyde": 0.03, "power": "on", "filter_remaining": 120}
```
- 服务器（订阅者）订阅该主题，接收数据并存储到数据库。
小程序下发指令：
- 小程序后端（发布者）向主题 device/airpurifier/{sn}/command
  
  发布控制指令（QoS 2）：
  json 复制代码
```
{"action": "set_speed", "speed": "high"}
```
- 空气净化器（订阅者）订阅该主题，接收指令后执行并返回结果。
状态同步：
- 服务器订阅设备状态主题后，可将消息转发给小程序（通过 WebSocket 或推送），实现实时状态展示。

为什么 MQTT 适合物联网？

相比 HTTP 等协议，MQTT 的优势在于：

低带宽消耗：适合物联网设备的有限网络（如 GPRS、NB-IoT）。
长连接与异步通信：设备无需频繁建立连接，节省功耗（对电池供电设备至关重要）。
灵活的消息路由：通过主题和通配符，轻松实现 "一对多""多对多" 通信（如一个服务器管理上千台设备）。

因此，MQTT 成为物联网设备与云端通信的首选协议之一，尤其适合空气净化器这类需要远程控制和数据监测的场景。

MQTT 服务端选型

选择合适的 MQTT 服务端（Broker）需根据项目规模、部署方式、功能需求和预算综合考虑。以下是针对不同场景的主流 MQTT 服务端推荐，涵盖开源方案、商业服务和轻量级选项：

开源 MQTT 服务端（适合自建部署）

Eclipse Mosquitto

特点：轻量级、易部署、支持 MQTT 3.1.1/5.0 协议，占用资源少（适合边缘设备或小型服务器）。
优势：
- 单文件部署，配置简单（通过mosquitto.conf文件设置端口、认证、权限等）。
- 支持 TLS 加密、用户名 / 密码认证、访问控制列表（ACL）。
- 社区活跃，文档丰富，适合新手入门。
适用场景：小型物联网项目、开发测试环境、边缘计算设备（如树莓派）。
部署方式 ：支持 Linux、Windows、macOS，可通过包管理器（apt/yum）快速安装。

EMQX

特点：高性能、分布式架构，专为大规模物联网场景设计，支持百万级并发连接。
优势：
- 支持 MQTT 3.1.1/5.0、CoAP、LwM2M 等多协议，兼容主流物联网设备。
- 内置集群、负载均衡、数据持久化（对接 MySQL/Redis/Kafka）功能。
- 提供可视化管理控制台（Dashboard），方便监控设备连接、消息吞吐量等指标。
- 支持规则引擎（如消息转发到数据库、触发 HTTP 回调），简化业务集成。
适用场景：中大型物联网平台（如智能家居、工业设备管理）、需要高可用性的生产环境。
版本：提供开源社区版（免费）和企业版（付费，含高级功能和技术支持）。

VerneMQ

特点：基于 Erlang 开发，高并发、低延迟，支持水平扩展。
优势：
- 内置集群功能，可通过简单配置实现节点扩容。
- 支持 MQTT 5.0 特性（如共享订阅、消息过期时间）。
- 适合处理高吞吐量的消息场景（如传感器数据采集）。
适用场景：对并发和稳定性要求高的分布式系统。

云服务商托管 MQTT 服务（适合无需自建运维）

阿里云 IoT 平台

特点：集成 MQTT Broker、设备管理、数据存储等一站式功能，与阿里云生态（如 ECS、OSS）无缝对接。
优势：
- 支持设备身份认证（基于设备证书或三元组）、消息加密传输。
- 提供规则引擎，可将设备数据转发到 RDS、时序数据库（TSDB）等服务。
- 内置设备影子（Device Shadow），解决设备离线时的指令缓存问题。
适用场景：使用阿里云生态的企业级项目，减少自建服务器的运维成本。

腾讯云 IoT Explorer

特点：腾讯云旗下的物联网平台，支持 MQTT 协议，深度整合微信生态（如小程序对接）。
优势：
- 提供设备调试工具、数据可视化面板，适合快速开发。
- 支持设备固件升级（OTA）、消息推送（如微信模板消息）。
适用场景：面向国内用户的小程序 + 物联网项目（如空气净化器控制小程序）。

AWS IoT Core

特点：亚马逊云提供的托管 MQTT 服务，全球节点覆盖，适合跨国部署。
优势：
- 支持 MQTT 3.1.1/5.0，集成 AWS Lambda、DynamoDB 等服务，便于构建 Serverless 架构。
- 提供细粒度的权限控制（基于 IAM）和设备证书管理。
适用场景：需要全球化部署的物联网项目，或已使用 AWS 云服务的用户。

轻量级 / 嵌入式 MQTT 服务端（适合边缘设备）

Mosquitto（见上文）

体积小巧（二进制文件约 1MB），可嵌入到嵌入式系统（如 ARM 架构设备）。
Paho MQTT C/C++ Broker
- 特点：轻量级 C 语言实现，适合资源受限的嵌入式设备（如单片机、传感器节点）。
- 优势：可裁剪功能模块，降低内存占用，支持基本的发布 / 订阅功能。

选型建议

开发测试 / 小型项目 ：优先选择 Eclipse Mosquitto，部署简单、学习成本低。
中大型生产环境 ：推荐 EMQX（开源版） 或 阿里云 IoT 平台，兼顾性能和可扩展性。
小程序 + 物联网场景 ：优先考虑 腾讯云 IoT Explorer，便于与微信生态对接，减少跨平台开发成本。
边缘计算 / 嵌入式设备 ：选择 Mosquitto 或 Paho Broker，满足低资源消耗需求。

实际选型时，建议先通过 Docker 快速部署试用，测试其在高并发、网络不稳定等场景下的表现，再结合项目预算和运维能力做最终决策。

Eclipse Mosquitto 介绍

Eclipse Mosquitto 是一款轻量级、开源的 MQTT 消息服务器（Broker），由 Eclipse 基金会维护，专为低资源消耗和易用性设计。它支持 MQTT 协议的所有核心特性，广泛应用于物联网（IoT）、传感器网络、智能家居等场景，尤其适合小型项目、边缘设备或开发测试环境。

核心特性

轻量级设计
- 体积小巧（二进制文件仅几 MB），内存占用低（运行时通常仅需几十 MB 内存），适合嵌入式设备（如树莓派、单片机）和资源受限的环境。
- 单进程架构，部署和维护简单，无需复杂的依赖管理。
完整的 MQTT 协议支持
- 兼容 MQTT 3.1、3.1.1 和 MQTT 5.0 协议，支持 QoS 0/1/2 消息等级，满足不同可靠性需求。
- 支持主题通配符（+ 匹配单层级、# 匹配多层级）、消息留存（Retained Message）、遗嘱消息（Last Will and Testament）等核心功能。
安全机制
- 传输加密：支持 TLS/SSL 加密（MQTTS），可配置单向 / 双向证书认证，防止数据窃听和篡改。
- 身份认证：支持用户名 / 密码认证、基于文件的访问控制列表（ACL），限制客户端对主题的发布 / 订阅权限。
- 权限细粒度控制：通过配置文件指定特定客户端或用户可访问的主题（如 user1 只能订阅 sensors/temp）。
多平台支持
- 可运行于 Linux、Windows、macOS、FreeBSD 等系统，支持 ARM、x86 等架构，适配嵌入式设备。
扩展功能
- 支持 WebSocket 接入，允许浏览器、小程序等通过 WebSocket 协议连接 MQTT 服务器。
- 提供命令行工具（mosquitto_pub/mosquitto_sub），方便测试和调试。
- 支持插件机制，可通过 C 语言编写插件扩展功能（如对接外部认证系统、消息持久化到数据库）。

核心组件与工具

mosquitto：MQTT 服务器主程序，负责接收客户端连接、路由消息。
mosquitto_pub：命令行发布工具，用于向指定主题发布消息

示例：
bash 复制代码
```
mosquitto_pub -h localhost -t "device/temp" -m '{"value": 25}'
```
mosquitto_sub：命令行订阅工具，用于订阅主题并接收消息

示例：
bash 复制代码
```
mosquitto_sub -h localhost -t "device/temp"
```
mosquitto_passwd：用于管理用户名 / 密码文件（如创建或修改认证用户）

示例：
bash 复制代码
```
# 创建用户 user1
mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd user1
```
配置文件
- 默认路径：/etc/mosquitto/mosquitto.conf（Linux）或 C:\Program Files\mosquitto\mosquitto.conf（Windows）。
- 用于配置端口、认证方式、权限控制、日志等参数。

典型配置示例

以下是常见场景的配置示例（修改 mosquitto.conf）：

mosquitto.conf

复制代码

# 监听 1883 端口（MQTT 未加密）
listener 1883

# 许匿名连接（测试环境用） true/false
#allow_anonymous true  

### 启用用户名/密码认证
allow_anonymous false  

# 指向密码文件（需用 mosquitto_passwd 命令创建：mosquitto_passwd /etc/mosquitto/passwd user1）
password_file /mosquitto/config/passwd.conf

# 访问控制列表（ACL），指向 ACL 配置文件
acl_file /mosquitto/config/acl.conf


### 启用 TLS 加密（MQTTS）
# 加密端口
#listener 8883

# CA 证书
#cafile /etc/mosquitto/ca.crt

# 服务器证书
#certfile /mosquitto/config/server.crt

# 服务器私钥
#keyfile /mosquitto/config/server.key

# 不强制客户端提供证书（单向认证）
#require_certificate false

acl.conf

复制代码

# 针对特定用户的权限设置
#user <用户名>
#topic [read|write|readwrite] <主题>		# 若不指定权限，默认无任何权限

# 针对匿名用户的权限设置（可选）
#pattern [read|write|readwrite] <主题模式>



# 用户 admin 可读写所有主题
user admin
topic #

# 用户 user1 只能发布 topic/temp1，不能订阅
user user1
topic write topic/temp1

# 用户 user2 只能订阅 topic/temp1，不能发布
user user2
topic read topic/temp2

部署

Docker run 部署

通过 Docker 快速部署 Mosquitto，适合开发测试：

拉取镜像
bash 复制代码
```
docker pull eclipse-mosquitto:latest
```

创建持久化目录

bash 复制代码

mkdir -p /opt/mosquitto/config /opt/mosquitto/data /opt/mosquitto/log
chmod -R 777 /opt/mosquitto  # 简化权限（生产环境需细化）

启动容器

bash 复制代码

docker run -d \
  --name mosquitto \
  -p 1883:1883 \       # MQTT 未加密端口
  -p 8883:8883 \       # MQTT 加密端口
  -p 9001:9001 \       # WebSocket 端口（默认 9001）
  -v /opt/mosquitto/config:/mosquitto/config \
  -v /opt/mosquitto/data:/mosquitto/data \
  -v /opt/mosquitto/log:/mosquitto/log \
  eclipse-mosquitto:latest

自定义配置

在 /opt/mosquitto/config/mosquitto.conf 中添加配置，重启容器生效：
bash 复制代码
```
docker restart mosquitto
```

Docker 编排文件部署

yaml 复制代码

version: "3.5"

networks:
  host:
    external: true

services:
  mosquitto:
    image: eclipse-mosquitto:2.0.22
    #ports:
      # MQTT 协议默认端口（未加密），设备通过 MQTT 协议连接时需映射
      #- 1883:1883
      # MQTT 协议加密端口（MQTTS，基于 TLS/SSL），需加密传输时映射（推荐生产环境）
      #- 8883:8883
      # MQTT over WebSocket 端口（未加密），网页 / 小程序通过 WebSocket 连接 MQTT 时映射
      #- 9001:9001
    volumes:
      - /data/file/mosquitto/data:/mosquitto/data
      - /data/file/mosquitto/logs:/mosquitto/log
      - /data/file/mosquitto/config:/mosquitto/config
    networks:
      - host
    deploy:
      replicas: 1
      placement:
        constraints:
          - node.labels.mosquitto == mosquitto
      resources:
        limits:
          cpus: '1'
          memory: 2048M
    logging:
      driver: "json-file"
      options:
        max-size: "20M"