物联网协议介绍-MQTT 协议的概念与应用

一、MQTT 协议概念

 

MQTT 协议的全称是 Message Queuing Telemetry Transport，翻译为消息队列传输探测，它是 ISO 标准下的一种基于发布 - 订阅模式的消息协议，它是基于 TCP/IP 协议簇的，它是为了改善网络设备硬件的性能和网络的性能来设计的。MQTT 一般多用于 IoT 即物联网上，广泛应用于工业级别的应用场景，比如汽车、制造、石油、天然气等。

 

在了解了 MQTT 的概念和应用场景后，我们下来就来走进 MQTT 的学习中了，先来看一下 MQTT 有哪些概念。

 

二、MQTT 基础

 

上面我们解释了 MQTT 协议的基本概念，MQTT 协议总结一点就是一种轻量级的二进制协议，MQTT 协议与 HTTP 相比具有一个明显的优势：数据包开销较小，数据包开销小就意味着更容易进行网络传输?；褂幸桓鲇攀凭褪?MQTT 在客户端容易实现，而且具有易用性，非常适合当今资源有限的设备。

 

你可能对这些概念有些讳莫如深，为什么具有 xxx 这种特性呢？这就需要从 MQTT 的设计说起了。

 

MQTT 协议由 Andy Stanford-Clark (IBM) 和 Arlen Nipper（Arcom，现为 Cirrus Link）于 1999 年发明。他们需要一种通过卫星连接石油管道的协议，以最大限度地减少电池损耗和带宽。所以他们为这个协议规定了几种要求：

 

1、这个协议必须易于实现；

 

2、这个协议中的数据必须易于传输，消耗成本??；

 

3、这个协议必须提供服务质量管理；

 

4、这个协议必须支持连续的会话控制；

 

5、假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

 

这些设计也是 MQTT 的精髓所在，MQTT 经过不断的发展，已经成为了物联网 IoT 所必备的一种消息探测协议，官方强烈推荐使用的版本是 MQTT 5。

 

三、发布 - 订阅模式

 

发布 - 订阅模式，我相信接触消息中间件架构的同学都听过，这是一种传统的客户端 - 服务器架构的替代方案，因为一般传统的客户端-服务器是客户端能够直接和服务器进行通信。

 

但是发布 - 订阅模式 pub/sub就不一样了，发布订阅模式会将发送消息的发布者 publisher与接收消息的订阅者 subscribers进行分离，publisher 与 subscribers 并不会直接通信，他们甚至都不清楚对方是否存在，他们之间的交流由第三方组件 broker 代理。

 

pub/sub 最重要的方面是 publisher 与 subscriber 的解藕，这种耦合度有下面三个维度：

 

1、空间解耦

 

publisher 与 subscriber 并不知道对方的存在，例如不会有 IP 地址和端口的交互，也更不会有消息的交互。

 

2、时间解藕

 

publisher 与 subscriber 并不一定需要同时运行。

 

3、同步 Synchronization 解藕

 

两个组件的操作比如 publish 和 subscribe 都不会在发布或者接收过程中产生中断。

 

总之，发布/订阅模式消除了传统客户-服务器之间的直接通信，把通信这个操作交给了 broker 进行代理，并在空间、时间、同步三个维度上进行了解藕。

 

四、可拓展性

 

pub/sub 比传统的客户端-服务器模式有了更好的拓展，这是由于 broker 的高度并行化，并且是基于事件驱动的模式?？赏卣剐曰固逑衷谙⒌幕捍婧拖⒌闹悄苈酚?，还可以通过集群代理来实现数百万的连接，使用负载均衡器将负载分配到更多的单个服务器上，这就是 MQTT 的深度应用了。

 

你可能不明白什么是事件驱动，我在这里解释下事件驱动的概念。

 

事件驱动是一种编程范式，编程范式是软件工程中的概念，它指的是一种编程方法或者说程序设计方式，比如说面向对象编程和面向过程编程就是一种编程范式，事件驱动中的程序流程会由诸如用户操作（点击鼠标、键盘）、传感器输出或者从其他程序或传递的消息事件决定。事件驱动编程是图形用户界面和其他应用程序比如 Web 中使用的主要范式，这些应用程序能够响应用户输入执行某些操作为中心，这同时也适用于驱动程序的编程。

 

五、消息过滤

 

在 pub/sub 的架构模式中，broker 扮演着至关重要的作用，其中非常重要的一点就是 broker 能够对消息进行过滤，使每个订阅者只接收自己感兴趣的消息。broker 有几个可以过滤的选项：

 

1、基于主题的过滤

 

MQTT 是基于 subject 的消息过滤的，每条消息都会有一个 topic ，接收客户端会向 borker 订阅感兴趣的 topic，订阅后，broker 就会确?？突Ф耸盏椒⒉嫉?topic 中的消息。

 

2、基于内容的过滤

 

在基于内容的过滤中，broker 会根据特定的内容过滤消息，接受客户端会经过过滤他们感兴趣的内容。这种方法的一个显著的缺点就是必须事先知道消息的内容，不能加密或者轻易修改。

 

3、基于类型的过滤

 

在使用面向对象的语言时，基于消息（事件）的类型过滤是一种比较常见的过滤方式。

 

为了发布/订阅系统的挑战，MQTT 具有三个服务质量级别，你可以指定消息从客户端传到 broker 或者从 broker 传到客户端，在 topic 的订阅中，会存在 topic 没有 subscriber 订阅的情况，作为 broker 必须知道如何处理这种情况。

 

六、MQTT 与消息队列的区别

 

我们现在知道，MQTT 是一种消息队列传输探测协议，这种协议是看似是以消息队列为基础，但却与消息队列有所差别。

 

在传统的消息队列模式中，一条消息会存储在消息队列中等待被消费，每个传入的消息都存储在消息队列中，直到它被客户端（通常称之为消费者）所接收，如果没有客户端消费消息的话，这条消息就会存在消息队列中等待被消费。但是在消息队列中，不会存在消息没有客户端消费的情况，但是在 MQTT 中，却存在 topic 无 subscriber 订阅的情况。

 

在传统的消息队列模式中，一条消息只能被一个客户端所消费，负载会分布在队列的每个消费者之间；而在 MQTT 中，每个订阅者都会收到消息，每个订阅者有相同的负载。

 

在传统的消息队列模式中，必须使用单独的命令来显式创建队列，只有队列创建后，才可以生产或者消费消息；而在 MQTT 中，topic 比较灵活，可以即时创建。