什么是MQTT？一文快速了解MQTT基础知识

MQTT协议采用发布/订阅（Publish/Subscribe）模式，其中包括发布者（Publisher）、订阅者（Subscriber）和消息代理（Broker）。发布者将消息发布到消息代理，订阅者通过订阅主题（Topic）来接收感兴趣的消息。消息代理负责转发消息，确保发布者和订阅者之间的解耦。

连接与会话

在使用MQTT协议进行通信时，客户端（发布者或订阅者）需要先与消息代理建立连接。连接过程包括发送连接请求、验证身份、建立会话等步骤。建立成功后，客户端可以通过该连接与消息代理进行通信。

每个连接都对应一个会话（Session），会话中保存了与消息代理相关的一些信息，如订阅关系、QoS级别等。通过会话，客户端可以保持长时间的连接，并可选择恢复之前的订阅状态。

主题与订阅

主题是MQTT协议中消息的分类标识，类似于一个树状结构，通过层级划分。例如，"home/living-room/temperature"表示温度传感器位于客厅的主题。订阅者可以选择订阅特定主题，以接收与该主题相关的消息。

在订阅过程中，订阅者可以指定不同的服务质量（QoS，Quality of Service）。MQTT协议支持三个级别的QoS：

1. QoS 0：最多一次交付，在消息发布时不进行确认，存在丢失或重复传输的风险。
2. QoS 1：至少一次交付，确保消息最少被传输一次，但可能会存在重复传输的情况。
3. QoS 2：只有一次交付，确保消息仅被传输一次，但会增加通信开销和延迟。

消息传递

当发布者发布一条消息时，它会将消息发送给消息代理，同时指定一个主题。消息代理将根据订阅关系，将该消息传递给所有订阅了相应主题的订阅者。

对于每个消息，发布者可以选择不同的QoS级别。如果发布者选择QoS级别为1或2，消息代理会向发布者发送确认消息，以保证消息的可靠传递。如果订阅者选择了QoS级别为1或2，消息代理会尽力保证消息的可靠传递。

保持连接

MQTT协议允许客户端与消息代理保持长时间的连接。在连接建立后，客户端可以发送心跳包（Keep-Alive）以保持连接状态。如果一段时间内没有任何通信活动，可能是因为网络中断或客户端宕机，此时消息代理可以关闭连接并清除相关会话信息。

3.MQTT属于哪一层协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种消息传输协议，通常被归类为应用层协议。它建立在TCP/IP协议栈之上，并利用发布-订阅模式实现设备间的实时数据通信。

协议分层结构

网络通信通常采用分层的结构，每一层负责不同的功能和责任。协议分层结构可以更好地组织和管理通信过程，使得不同设备和系统能够互相交流和理解。

在国际标准化组织（ISO）的参考模型中，网络协议通常分为七层，从底层到高层分别为：

1. 物理层：负责定义物理介质和电气信号的传输方式，如电缆、光纤和无线信号等。
2. 数据链路层：处理节点之间的可靠数据传输，包括帧的封装、错误检测和纠错等。
3. 网络层：负责数据包的路由和寻址，确保数据通过正确的路径达到目的地。
4. 传输层：提供端到端的可靠性和完整性，例如TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）。
5. 会话层：负责建立和管理会话，并提供数据交互的控制。
6. 表示层：处理数据的格式转换、加密和解密等，以确保不同设备能够正确解释和处理收到的数据。
7. 应用层：提供应用程序之间的通信接口，包括各种协议和服务，如HTTP、SMTP、FTP等。

MQTT在协议分层中的位置

MQTT被归类为应用层协议，位于ISO参考模型的最顶层。这意味着MQTT建立在传输层（如TCP）之上，利用TCP/IP来进行可靠的消息传输。MQTT协议通过发布-订阅模式实现设备之间的通信，发布者将消息发布到特定的主题（Topic），而订阅者可以选择性地订阅感兴趣的主题来接收相应的消息。

由于其轻量级、低带宽和低功耗等特点，MQTT在物联网领域得到广泛应用。它被设计用于资源受限的设备和不稳定网络环境下的高效通信。MQTT的设计使得它非常适合在物联网中传输实时数据，例如传感器数据、设备状态信息等。

其他协议与MQTT的关系

需要注意的是，MQTT并不是OSI参考模型中的严格定义的层次协议。它更多地是一个通信协议，与其他网络协议一起工作。例如，在物联网应用中，MQTT通常与HTTP、CoAP（Constrained Application Protocol）等协议配合使用，以满足不同场景和需求的通信要求。

4.MQTT协议和HTTP协议区别

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议和HTTP（Hypertext Transfer Protocol）协议是两种不同的通信协议，在不同的场景下有着各自的优势和应用。本文将对它们进行比较，并介绍它们的主要区别。

网络模型

MQTT协议是建立在TCP/IP协议栈上的，采用轻量级的发布/订阅模式，广泛用于物联网等低带宽、高延迟的场景。而HTTP协议则是基于TCP/IP的应用层协议，采用请求/响应模式，在互联网上广泛应用于网页浏览和数据传输。

通信方式

MQTT协议采用异步通信方式，允许客户端通过消息代理进行实时的双向通信，适合低功耗设备与服务器之间的持久连接。HTTP协议则是一种同步通信方式，每次请求都需要建立新的连接，并在请求完成后关闭连接，不适合频繁的实时通信。

数据压缩和开销

MQTT协议具有较好的数据压缩能力，可以减少数据传输的开销。它采用二进制编码格式，包头信息较小，有效减少了网络带宽的占用。相比之下，HTTP协议传输的数据包含较多的头部信息，导致更高的网络开销。

消息推送与请求响应

MQTT协议通过发布/订阅模式实现消息的推送，发布者将消息发布到消息代理中，订阅者可以选择感兴趣的主题进行订阅，并在消息到达时接收。而HTTP协议是一种请求/响应模式，客户端需要明确发送请求给服务器，并等待服务器的响应结果。

适用场景

MQTT协议适用于物联网和传感器网络等场景，其中设备数量庞大、网络资源有限、需要低功耗和实时通信的情况较为常见。而HTTP协议则适用于互联网上的网页浏览、数据传输和远程调用等场景，其中客户端和服务器之间的交互相对稳定且不要求实时性。

安全性

MQTT协议支持基于TLS/SSL的加密传输，提供了较好的安全性保障。另外，MQTT还支持身份验证和授权机制，可以限制访问权限。HTTP协议也支持加密传输（HTTPS），但在默认情况下没有内建的认证和授权机制，需要额外的配置和处理。

5.MQTT协议和TCP协议区别

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议和TCP（Transmission Control Protocol）协议都是在网络通信中起着重要作用的协议。虽然它们有一些相似之处，但在设计理念、工作方式和使用场景上存在着明显的区别。

设计理念和目标

MQTT协议

MQTT协议是为物联网（IoT）应用而设计的轻量级发布-订阅式消息传输协议。它旨在解决低带宽和不稳定网络环境下的实时数据通信需求。MQTT注重简洁性、可靠性和高效性，并且适用于资源受限的设备。

TCP协议

TCP协议是一个通用的、面向连接的传输层协议，旨在提供可靠的端到端数据传输。TCP协议通过可靠的数据传输、拥塞控制和流量控制等机制，确保数据的完整性和顺序性。TCP协议适用于各种网络应用，包括Web浏览、文件传输、电子邮件等。

工作方式和特点

MQTT协议

• 异步通信：MQTT采用异步通信模式，允许发布者和订阅者之间的连接保持打开状态，并通过心跳机制监测连接状态。
• 发布-订阅模式：MQTT基于发布-订阅模式，发布者将消息发布到特定的主题（Topic），而订阅者可以选择性地订阅感兴趣的主题来接收相应的消息。
• 低带宽和低功耗：由于采用较小的数据包大小和较少的网络开销，MQTT在低带宽和低功耗环境下表现出色。

TCP协议

• 面向连接：TCP协议是一种面向连接的协议，通过三次握手建立连接，并在通信结束后进行四次挥手断开连接。这确保了可靠的端到端数据传输。
• 可靠性和完整性：TCP协议提供可靠的数据传输，使用序号和确认机制来确保数据的完整性和顺序性。
• 拥塞控制和流量控制：TCP具有拥塞控制和流量控制功能，以避免网络拥塞和数据丢失。

使用场景和适用性

MQTT协议

MQTT在物联网领域中得到广泛应用，特别适合以下场景：

• 传感器网络：由于其轻量级、低带宽和低功耗等特点，MQTT被广泛用于传感器网络中的实时数据传输。
• 不稳定网络环境：MQTT通过异步通信和心跳机制，适应不稳定的网络环境，保证消息的可靠性。

TCP协议

TCP协议适用于需要可靠数据传输和面向连接的场景，包括但不限于以下情况：

• 需要确保数据完整性和顺序性：TCP提供可靠的数据传输，适合需要确保数据完整性和顺序性的应用。
• 大文件传输：TCP通过流量控制和拥塞控制，能够高效地传输大文件，保证传输过程的稳定性。
• Web浏览和服务器通信：HTTP协议等基于TCP的应用广泛用于Web浏览器和服务器之间的通信，TCP提供可靠的数据传输保证了网页内容和数据的正确性。

6.MQTT和RABBITMQ的区别

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）和RabbitMQ是两种不同的消息传输系统，用于实现异步通信和消息队列。本文将对它们进行比较，并介绍它们的主要区别。

概述

MQTT是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议，适用于物联网等低带宽、高延迟的场景。而RabbitMQ是一个开源的消息代理和消息队列系统，采用AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）作为通信协议，可用于构建各种分布式应用。

通信模型

MQTT是一种异步通信模型，支持发布者（Publisher）和订阅者（Subscriber）之间的实时双向通信。发布者将消息发布到指定的主题（Topic），订阅者可以选择感兴趣的主题进行订阅，并在消息到达时接收。RabbitMQ则是一种消息队列系统，支持生产者（Producer）和消费者（Consumer）之间的消息传递，通过消息队列中转消息。

协议支持

MQTT协议是一种独立的通信协议，可以运行在多种网络环境下。它支持TCP/IP协议栈，但也可以通过WebSocket等其他协议进行封装。相比之下，RabbitMQ采用AMQP作为通信协议，需要使用RabbitMQ提供的客户端库进行消息的发送和接收。

可靠性与持久化

MQTT协议在默认情况下对消息传递的可靠性要求较低，支持三个级别的服务质量（QoS），但在QoS为0时存在消息丢失的风险。同时，MQTT没有内建的持久化机制，如果订阅者不在线，会丢失离线期间发布的消息。

RabbitMQ则具有更高的消息可靠性保证。它采用了消息确认机制，消费者可以通过显式地发送确认消息来告知RabbitMQ已经成功接收并处理了消息。此外，RabbitMQ还支持消息持久化，将消息存储到磁盘上以防止数据丢失。

功能扩展

MQTT协议相对简单，功能相对较少，主要用于低带宽、高延迟的物联网场景。而RabbitMQ是一个功能强大且灵活的消息中间件，支持各种高级特性，如消息路由、消息过滤、事务等。RabbitMQ还支持多种编程语言，并提供插件系统来扩展其功能。

适用场景

由于MQTT协议的轻量级和简单性，适用于物联网等资源有限的场景，特别是需要低功耗、实时通信和移动设备支持的应用。RabbitMQ则适用于更复杂的分布式系统，包括大规模企业应用、消息驱动的架构和任务队列等。

7.MQTT和AMQP的区别

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）和AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）是两种消息传输协议，用于在分布式系统中进行可靠的消息传递。尽管它们都具有相似的目标，但在设计理念、通信模型和使用场景上存在着一些明显的区别。

设计理念和目标

MQTT协议

MQTT协议是一种轻量级发布-订阅式消息传输协议，旨在解决物联网（IoT）设备之间低带宽和不稳定网络环境下的实时数据通信需求。MQTT注重简洁性、可靠性和高效性，并且适用于资源受限的设备。

AMQP协议

AMQP协议是一种面向消息的中间件协议，旨在提供更全面的消息传递功能和灵活性。AMQP致力于构建一个跨平台、跨语言和可互操作的消息传递体系结构，以满足企业级应用对可靠性、安全性和灵活性的要求。

通信模型和特点

MQTT协议

• 发布-订阅模式：MQTT基于发布-订阅模式，其中发布者将消息发布到特定的主题（Topic），而订阅者可以选择性地订阅感兴趣的主题来接收相应的消息。
• 轻量级和低开销：MQTT采用较小的数据包大小和较少的网络开销，适用于低带宽和低功耗环境。
• 异步通信：MQTT支持异步通信模式，发布者和订阅者之间可以保持长连接，并通过心跳机制监测连接状态。

AMQP协议

• 队列模型：AMQP基于队列模型，消息发送到队列中并等待被消费者接收。消息可以按照优先级、路由规则和其他属性进行过滤和路由。
• 可靠性和灵活性：AMQP提供可靠的点对点消息传递保证，确保消息的完整性和可靠性。它还支持高级功能，如事务、消息确认和持久化等。
• 完备的消息路由：AMQP支持复杂的消息路由方案，包括直连交换机、广播交换机、主题交换机等，可以根据多种规则将消息路由到目标队列。

使用场景和适用性

MQTT协议

MQTT协议在物联网领域中得到广泛应用，特别适合以下场景：

• 传感器网络：由于其轻量级、低带宽和低功耗等特点，MQTT被广泛用于传感器网络中的实时数据传输。
• 不稳定网络环境：MQTT通过异步通信和心跳机制，适应不稳定的网络环境，保证消息的可靠性。

AMQP协议

AMQP协议适用于更复杂的企业级消息传递场景，包括但不限于以下情况：

• 企业集成和系统间通信：AMQP提供了可靠的消息传递保证，并支持复杂的消息路由和交换模式，使得不同系统之间的通信更加灵活和可靠。
• 高级功能需求：AMQP支持事务、消息确认、持久化以及高级路由策略等功能，适用于对消息投递和处理有更严格要求的场景，例如金融交易系统或医疗健康领域的数据传递。
• 扩展性和互操作性：AMQP协议支持跨平台、跨语言的互操作，使不同技术栈的应用能够无缝集成。

8.MQTT的主要特性有哪些

1)轻量级和简单性

MQTT协议被设计成轻量级和简单易用的，其目标是在网络连接受限制的环境中实现可靠的通信。相比于其他通信协议，MQTT的包头信息较小，非常适合资源受限的设备和网络。

2)异步通信模型

MQTT采用异步通信模型，支持发布者（Publisher）和订阅者（Subscriber）之间的实时双向通信。发布者将消息发布到指定的主题（Topic），订阅者可以选择感兴趣的主题进行订阅，并在消息到达时接收。这种异步通信模型使得MQTT非常适合需要实时数据推送和触发事件的场景。

3)三个级别的服务质量（QoS）

MQTT支持三个级别的服务质量（Quality of Service，QoS）来满足不同的应用需求。QoS级别分别为0、1和2：

• QoS 0：最多发送一次，消息可能会丢失或重复，适用于可靠性要求不高的场景。
• QoS 1：至少发送一次，确保消息到达，但可能会重复。
• QoS 2：只发送一次，确保消息精确到达一次，但可能需要更多的网络开销。

4)持久化订阅

MQTT支持持久化订阅，订阅者可以选择在断开连接后仍然接收未读的消息。这对于订阅者来说非常有用，它们可以在重新连接后获取丢失的消息，并保持与发布者的同步。

5)遗嘱消息

MQTT允许客户端指定遗嘱消息（Last Will and Testament），即在客户端异常断开连接时自动发布的消息。当客户端连接意外中断时，服务器将会发布该消息，以通知其他订阅者。

6)跨平台和易扩展

MQTT协议是一个开放标准，广泛支持跨平台的应用开发。它提供了各种编程语言的客户端库，使得开发者能够轻松地在不同的设备和操作系统上使用MQTT进行通信。此外，MQTT还提供了插件系统，可以扩展其功能，满足特定应用场景的需求。

7)安全性支持

为了保障通信的安全性，MQTT协议支持基于TLS/SSL的加密传输。通过使用TLS/SSL证书，可以确保通信的机密性和完整性，并防止信息被篡改或窃取。此外，MQTT还支持身份验证和授权机制，可以限制访问权限，确保只有合法的设备能够连接和发布消息。

9.MQTT协议的优点与缺点

MQTT协议的优点

简单和轻量级

MQTT协议的设计目标之一是简洁性和轻量级，这使得它非常适合资源受限的设备和低带宽环境。MQTT使用较小的数据包大小和较少的网络开销，减少了对带宽和存储空间的需求，同时降低了能耗。这使得MQTT成为物联网设备之间实时数据交换的理想选择。

异步通信和心跳机制

MQTT支持异步通信模式，发布者和订阅者可以通过保持长连接进行实时的消息传递。同样重要的是，MQTT协议还引入了心跳机制，以监测连接状态并确保可靠的消息传输。这种机制使得MQTT在不稳定的网络环境中具有鲁棒性，并能及时发现通信故障。

适应不同网络环境

MQTT协议是针对低带宽和不稳定网络环境进行优化的。它具备在网络带宽受限的情况下仍能提供可靠通信的能力。MQTT支持QoS（服务质量）级别，可以根据具体需求选择适当的级别。这种灵活性使得MQTT能够在不同网络条件下提供合适的传输保证。

适用于大规模部署

由于其简单性和轻量级特性，MQTT协议非常适合大规模的物联网设备部署。它可以轻松应对数千甚至数百万个设备之间的实时数据传输需求，并且在大规模场景中具有较低的网络开销。

MQTT协议的缺点

不适合大容量数据传输

MQTT协议的设计目标是为了传输小型的、实时的数据。因此，如果需要传输大容量的数据，例如音视频文件等，MQTT可能不是最佳选择。较大的数据包会占用更多的网络资源，降低整体的效率。

不支持复杂消息路由

相比其他高级消息队列协议，如AMQP，MQTT的消息路由功能较为简单。MQTT协议仅支持基于主题的发布-订阅模式，而不支持复杂的消息路由策略。这意味着在需要进行复杂消息过滤、排序或处理的情况下，MQTT可能无法满足需求。

需要额外的消息传输确认

MQTT协议提供了多种QoS（服务质量）级别，用于控制消息的可靠性和传输保证。然而，在较低的QoS级别下，消息传输不会得到确认。如果应用场景对消息可靠性有更高的要求，就需要使用更高级别的QoS，但这会增加网络开销。

安全性方面的挑战

尽管MQTT支持基本的身份验证和访问控制机制，但它并没有内置强大的加密和安全特性。

可扩展性和互操作性

MQTT协议具有良好的可扩展性和互操作性。由于其简单而通用的设计，MQTT在不同平台、操作系统和编程语言之间都能够进行交互。这使得开发者可以选择最适合他们的环境和需求的实现，并且能够轻松地集成MQTT协议到现有的系统中。

MQTT协议作为一种轻量级的发布-订阅式消息传输协议，在物联网和低带宽环境下具有多个优点。它简单、轻量级，并且适应异步通信和不稳定网络环境。MQTT适用于大规模部署，并且具有较低的网络开销。然而，MQTT协议也存在一些局限性，不适合大容量数据传输、不支持复杂的消息路由和在安全性方面有挑战等。因此，在选择使用MQTT协议时，需要根据具体的应用场景和需求来权衡其优缺点，并结合其他协议或安全层来提供更全面的解决方案。