《物联网开发实战》08 MQTT：在实践中掌握一个通信协议（学习笔记）

仅作为本人学习《物联网开发实战》的学习笔记，原课程链接：极客时间《物联网开发实战》——郭朝斌

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体验 MQTTMQTT 的生态很完善MQTT 自身的“基因”很强大发布-订阅模式轻量级协议：减少传输数据量低功耗优化：节约电量和网络资源3种 QoS 级别：可靠通信安全传输

体验 MQTT

我这里将通过 EMQX 和 MQTTX 两个软件来体验 MQTT，

首先下载 EMQX，下载链接：https://www.emqx.io/zh/downloads

我下载的是 windows 版本，使用方法很简单，在终端（控制台）运行emqx start即可。

开启 emqx 之后，在浏览器打开网站127.0.0.1:18083（ip地址可以是本机任意网口的ip，或者回环地址，端口号为 18083），输入用户名和密码，默认用户: admin，默认密码：public，

随后就进入了 emqx 控制台界面。

接着下载 MQTT X，下载链接：https://mqttx.app/zh

我同样下载的是 windows 版本，运行 MQTTX 后，新建一个连接（由于只是简单测试，所以只设置两个必填项，即连接名和目标IP，其他都默认）

成功连接上 emqx 的控制台，

也可以在控制台界面查看这个客户端信息，

简单地创建一个 Topic ,

对该 topic 发布信息，然后在通信窗口上显示了接收的信息，测试成功。

MQTT 的生态很完善

经过上面的体验， MQTT 看起来很简单，这主要得益于 MQTT 协议出现的时间很久远，而且功能强大。长期的使用和沉淀使得 MQTT 的生态非常完善，而生态是技术标准能够主导行业的关键。所以使用 MQTT 的时候会觉得很方便，可供挑选的方案也很多。

比如上面用到的 EMQX，它是一款国产的软件，类似的 MQTT Broker 软件，还可以选择 hbmqtt 或 Mosuitto 等等。

而上面使用到的 MQTTX 一款国产软件，支持中文语言，这类软件称为 MQTT 客户端。

MQTT 自身的“基因”很强大

阿里云、华为云、腾讯云等大厂们不约而同地选择 MQTT 协议作为物联设备的“第一语言”，不仅是因为 MQTT 生态完善，MQTT 协议本身的优秀设计也是重要的因素。

它在设计上的优点体现在哪呢？我（郭老师）想主要有五个方面：

契合物联网大部分应用场景的发布-订阅模式。能够满足物联网中的资源受限设备需要的轻量级特性。时刻关注物联网设备低功耗设计的优化设计。针对物联网中多变的网络环境提供的多种服务质量等级。支持在物联网应用中越来越被重视的数据安全。

——原文

发布-订阅模式

在软件架构中，发布订阅是一种消息范式，消息的发送者（称为发布者）不会将消息直接发送给特定的接收者（称为订阅者）。而是将发布的消息分为不同的类别，无需了解哪些订阅者（如果有的话）可能存在。同样的，订阅者可以表达对一个或多个类别的兴趣，只接收感兴趣的消息，无需了解哪些发布者（如果有的话）存在。

——百度百科

刚才体验过的通信过程，是一个发布者和一个订阅者的情况。上面的 test 订阅了 topic1 这个主题，所以发送信息到 topic1 主题后，test 就能接收到发送的信息；如果再新建一个连接（下图的 test2），test2 向 topic1 发送数据时，test 也能收到对应的信息，

test2 这个连接由于没有订阅 topic1 ，所以向 topic1 发送数据时，不能接收到数据。

采用发布-订阅模式，让 MQTT具有很多优点，比如让一个传感器数据触发一系列动作；网络不稳定造成的临时离线不会影响工作；方便根据需求动态调整系统规模等。这使得它能满足绝大部分物联网场景的需求。

——原文

轻量级协议：减少传输数据量

MQTT 是一个轻量级的网络协议，这一点也是它在物联网系统中流行的重要原因。毕竟物联网中大量都是计算资源有限、网络带宽低的设备。

这种轻量级体现在两个方面

一方面，MQTT 消息采用二进制的编码格式，相比于 HTTP 协议的文本格式，二进制编码格式可以充分利用字节位，减少网络数据传输量。

图片来源：课程原文

第二个字节表示数据包头部和消息体的字节共个数，其中最高位表示有没有第三字节的存在，来和第二个字节一起表示字节共个数。

如果有第三个字节，那它的最高位表示是否有第四个字节，来和第二个字节、第三个字节一起表示字节总个数。依此类推，不过最多到第五个字节，所以可以表示的最大数据包长度有256MB。

轻量级的另一方面，体现在消息的具体交互流程设计非常简单。

图片来源：课程原文

低功耗优化：节约电量和网络资源

MQTT 协议的低功耗优化主要体现在对能耗和通信次数的优化。

比如，MQTT 协议有一个 Keepalive 机制。它的作用是让 Client 和 Broker 能在双方连接中断时及时发现并重新连接。该机制原理很简单，在 Client 连接到 Broker 时设置了一个 Keepalive 时间，如果双方在这个时间内没有接收到新的数据包，那么就判断连接已断开。

但是 Client 和 Broker 不可能时刻都在传输主题，MQTT 的解决方案是定义了 PINGREQ 和 PINGRESP 这两种消息类型。它们都没有可变头部和消息体，即只有 2 个字节的大小。Client 和 Broker 通过发送这两个消息，就能够满足 Keepalive 机制的要求（如果在 Keepalive 时间内，双方有数据传输，那么就不用发送这两个消息）。

除了 Keepalive 机制，MQTT 5.0 中的重复主题特性也能节省网络资源，Client 重发发送一个主题的消息时，从第二次发送开始，将主题名长度设为0，Broker 会自动按照上次的主题来处理消息。

3种 QoS 级别：可靠通信

由于物联网设备经常处在网络不稳定的场景下，所以 MQTT 协议设计了 3 种不同的 QoS（Quality of Service，服务质量）级别。可以根据场景的网络状态，来选择不同的 QoS 级别。

QoS 的 3 种级别：

QoS 0，消息最多收到一次，即消息可能丢失，但是不会重复。QoS 1，消息至少收到一次，即消息保证送达，但是可能重复。QoS 2，消息只会收到一次，即消息有且只有一次。图片来源：课程原文

安全传输

MQTT 提供了用户名+密码的机制，在建立连接过程中，它可以通过判断用户名和密码的正确性，来筛选有效连接请求。

但是在明文传输方式下，用户名和密码可能被其他人截获，所以我们还需要靠其他方式来实现安全传输。

MQTT 协议支持 SSL/TLS 加密通信方式，这方面的内容我了解不多，感兴趣的话可以参考下面这篇文章。

EMQ X MQTT 服务器启用 SSL/TLS 安全连接