关于MQTT协议

最近一段时间乱糟糟的，发生了好多事情，公众号也暂停了一段时间，不过嘛，状态总要调整过来的，人嘛，每个月都有那么几天嘛，所以加油～

今天我们来讲讲MQTT，其实对于产品而言，严格来讲只要懂得应用场景就可以了，但是我依然愿意更深度的去学习和分析这些更偏技术侧的东西，原因也很简单，不管是MQTT、HTTP还是其他的什么，这些存在了很久且成熟度很高的技术其实是非常值得借鉴的，他的结构分层，他的运作逻辑，他的异常处理机制都能给我们在产品设计方面的启发，另外清晰的掌握产品和技术的边界也是很重要的，我们要明白哪些是可以用技术手段解决的，哪些是用产品手段解决的，这对于做纯软件的产品经理似乎显得不是那么重要，但是对于物联网或者人工智能的产品而言，就很重要了，好了我们开始吧。

一、什么是MQTT

1、MQTT

MQTT协议（Message Queue Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是IBM于1999年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。MQTT具备实现简单、支持三种Qos级别、轻量、占带宽低、可保持持续回话、可传输任意类型数据等特点，这让它非常适合计算能力有限、网络带宽低、信号不稳定的远程设备，所以它成为了物联网系统事实上的网络协议标准。

2、MQTT的特性

简单来说，MQTT具备以下的特性：

• 基于TCP协议的应用层协议； （MQTT协议是运行在应用层的协议，底层使用TCP协议进行数据传输，整个协议栈运行在IP网络上，这一点不同于我们经常提到的LoRaWAN，他们是在物理层/链路层的协议，他们解决的是设备如何接入互联网的问题。）
• 采用C/S架构；
• 使用订阅/发布模式；（采用订阅/发布模式将消息的发送方和接受方解耦，这种模式更好的契合了物联网的场景，具备更好的可扩展性）
• 提供3种消息的QoS （3种Qos是指三种安全模式，保证只多一次、最少一次、只有一次，可兼容不同场景的需求。）
• 收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答。

二、MQTT协议详解

1、MQTT协议的通信模型

我们先来看看MQTT协议的通信模型：

可以看到在MQTT协议中，发布方和订阅房并没有直接连接，而是通过了中间的角色进行了一次中转，在MQTT协议中，我们通常将中间的中转角色成为Broker，发送消息和接收消息的订阅方成为Client。

我们一起来看看信息交互的流程：

（1）发布方和订阅方都建立了到Broker的TCP连接；

（2）订阅方告知Broker他要订阅的主题，主题我们成为Topic；

（3）发布方将消息发送到Broker，并指定相应的Topic；

（4）Broker接收到消息以后，检查都有哪些订阅方订阅了这个Topic，然后将消息发送到这些订阅方；

（5）订阅方从Broker获取到这些信息；

（6）如果订阅方此时与Broker处于中断中泰，Broker也可以先保存这条消息，当订阅方在线时，将消息发送给订阅方。

2、MQTT Client

任何终端，无论是嵌入式设备，还是服务器，只要运行了MQTT协议的库或者代码并连接了MQTT Broker，我们都称其为MQTT Client。Publisher（发布方）和Subscriber（订阅方）都属于Client。一个Client是Pushlisher还是Subscriber，只取决于该Client当前的状态——是在发布消息还是在订阅消息。当然，一个Client可以同时是Publisher和Subscriber。

在大多数情况下，我们不需要自己按照MQTT的协议规范来实现一个MQTT Client，因为MQTT Client库在很多语言中都有实现，包括Android、Arduino、Ruby、C、C++、C#、Go、iOS、Java、JavaScript以及.NET等。

3、MQTT Broker

搭建一个完整的MQTT协议环境，除了需要MQTT Client外，我们还需要一个MQTT Broker。如前文所述，Broker负责接收Publisher的消息，并将消息发送给相应的Subscriber，它是整个MQTT协议订阅/发布的核心。在实际应用中，一个MQTT Broker还应该提供如下功能：

• 可以对Client的接入进行授权，并对Client进行权限控制； 
• 可以横向扩展，比如集群，满足海量的Client接入；
• 有较好的扩展性，可以比较方便地接入现有业务系统； 
• 易于监控，满足高可用性。

4、Client与Broker的连接

4.1 建立连接

Client在可以发布和订阅消息之前，必须先连接到Broker，看看这个流程图：

（1）Client向Broker发送一个CONNECT数据包；

（2）Broker在收到Client的CONNECT数据包后，如果允许Client接入，则回复一个CONNACK包，该CONNACK包的返回码为0，表示MQTT协议连接建立成功；如果不允许Client接入，也回复一个CONNACK包，该CONNACK包的返回码为一个非0的值，用来标识接入失败的原因，然后断开底层的TCP连接。

4.2 关闭连接

MQTT协议的连接关闭可以由Client或Broker两者任意一方发起：Cliennt主动关闭连接：Client主动关闭连接的流程非常简单，只需要向Broker发送一个DISCONNECT数据包就可以了。如果Client没有发送DISCONNECT就断开了连接，那么Broker会认为Client是异常中断的，此时就会向在连接的时候指定的遗愿主题发布遗愿消息。

Broker主动关闭连接：MQTT协议规定Broker在没有收到Client的DISCONNECT数据包之前都应该保持和Client的连接，只有Broker在Keepalive的时间间隔里，没有收到Client的任何MQTT协议数据包时才会主动关闭连接。一些Broker的实现在MQTT协议上做了一些拓展，支持Client的连接管理，可以主动断开和某个Client的连接。Broker主动关闭连接之前不需要向Client发送任何MQTT协议数据包，直接关闭底层的TCP连接就可以。

5、订阅与发布

5.1 订阅一个主题

ClientB想要接收ClientA发布到某个主题的消息，就必须先向Broker订阅这个主题，订阅一个主题的流程如图：

（1）Client向Broker发送一个SUBSCRIBE数据包，其中包含Client想要订阅的主题以及其他参数。

（2）Broker收到SUBSCRIBE数据包后，向Client发送一个SUBACK数据包作为应答。

具体的数据内容我们就不详细看了，对产品经理而言，知道这些足够了。

5.2 取消订阅

Subscriber也可以取消对某些主题的订阅。取消订阅的流程如图：

（1）Client向Broker发送一个UNSUBSCRIBE数据包，其中包含Client想要取消订阅的主题。

（2）Broker收到UNSUBSCRIBE数据包后，向Client发送一个UNSUBACK数据包作为应答。

6.MQTT中的Qos

作为最初用来在网络带宽窄、信号不稳定的环境下传输数据的协议，MQTT协议设计了一套保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传。在这套机制下，MQTT协议还提供了3种不同层次的QoS。

6.1 Qos0

At most once，至多一次，表示发送方发送一条消息，接收方最多能收到一次，也就是说Sender尽力向接收方发送消息，如果发送失败，则放弃。

Qos0所消耗的资源最少，但是可能存在丢包，我们思考一个问题，对于一个上报数据很频繁的传感器，即使丢掉一两条数据，问题也不大，这种场景下Qos0很显然是适用的。

6.2 Qos1

At least once，至少一次，表示发送方发送一条消息，接收方至少能收到一次，也就是说发送方向接收方发送消息，如果发送失败，发送方会继续重试，直到接收方收到消息为止，但是因为重传的原因，接收方可能会收到重复的消息。

流程是这样的：

（1）发送方向接收方发送一个带有消息数据的PUBLISH数据包，并在本地保存这个PUBLISH数据包。

（2）接收方在收到PUBLISH数据包后，向发送方发送一个PUBACK数据包，PUBACK数据包没有消息体，只在可变头中有一个包标识（Packet Identifier），和它收到的PUBLISH数据包中的Packet Identifier一致。

（3）发送方在收到PUBACK数据包之后，根据PUBACK数据包中的Packet Identifier找到本地保存的PUBLISH数据包，然后丢弃，这样一次消息发送完成。

（4）如果发送方在一段时间内没有收到PUBLISH数据包对应的PUBACK数据包，那么它会将PUBLISH数据包中的DUP标识设为1（代表的是重新发送PUBLISH数据包），然后重新发送该PUBLISH数据包。重复这个流程，直到发送方收到PUBACK数据包，然后执行第3步。

需要注意的是需要对数据进行去重，去重方式也很简单，只要在消息内包含消息的ID就行，通常用的是UUID。

6.3 Qos2

Exactly once，确保只有一次，表示发送方发送一条消息，接收方确保能收到且只收到一次，也就是说发送方尽力向接收方发送消息，如果发送失败，会继续重试，直到接收方收到消息为止，同时保证接收方不会因为消息重传而收到重复的消息。

QoS2使用2套请求/应答流程（一个4段的握手）来确保接收方收到来自发送方的消息，且不重复。

（1）发送方发送QoS值为2的PUBLISH数据包，假设该数据包中Packet Identifier为P，并在本地保存该PUBLISH数据包。

（2）接收方收到PUBLISH数据包后，在本地保存PUBLISH数据包的Packet Identifier为P，并回复发送方一个PUBREC数据包。PUBREC数据包可变头中的Packet Identifier为P，没有消息体。

（3）当发送方收到PUBREC数据包后，它就可以安全地丢掉初始的Packet Identifier为P的PUBLISH数据包，同时保存该PUBREC数据包，并回复接收方一个PUBREL数据包。PUBREL数据包可变头中的Packet Identifier为P，没有消息体；如果发送方在一定时间内没有收到PUBREC数据包，它会把PUBLISH数据包的DUP标识设为1，重新发送该PUBLISH数据包。

（4）当接收方收到PUBREL数据包时，它可以丢弃掉保存的PUBLISH数据包的Packet Identifier P，并回复发送方一个PUBCOMP数据包。PUBCOMP数据包可变头中的Packet Identifier为P，没有消息体。

（5）当发送方收到PUBCOMP数据包，它会认为数据包传输已完成，会丢掉对应的PUBREC数据包。如果发送方在一定时间内没有收到PUBCOMP数据包，则会重新发送PUBREL数据包。

可以看到，Qos2也是最安全，但是效率最低的一种Qos等级。

7.Retained

关于Retained我们可以这样来理解，想象一个场景，你有一个温度传感器，它每3个小时向一个主题发布当前温度。那么问题来了，有一个新的订阅者在它刚刚发布了当前温度之后订阅了这个主题，那么这个订阅端什么时候才能收到温度消息？没错，和你想的一样，它必须等到3个小时以后，温度传感器再次发布消息的时候才能收到。在这之前，这个新的订阅者对传感器的温度数据一无所知。这时候我们就可以用到Retained消息来解决这个问题。

Retained消息是指在PUBLISH数据包中将Retain标识设为1的消息，Broker收到这样的PUBLISH数据包以后，将为该主题保存这个消息，当一个新的订阅者订阅该主题时，Broker会马上将这个消息发送给订阅者。Retain消息有如下特点：

• 一个Topic只能有一条Retained消息，发布新的Retained消息将覆盖旧的Retained消息；
• 如果订阅者使用通配符订阅主题，那他会收到所有匹配主题的Retained消息；
• 只有新的订阅者才会收到Retained消息，如果订阅者重复订阅一个主题，那么在每次订阅的时候都会被当作新的订阅者，然后收到Retained消息。

8.LWT

LWT全称为Last Will and Testament，也就是我们在连接Broker时提到的遗愿，包括遗愿主题、遗愿QoS、遗愿消息等。顾名思义，当Broker检测到Client非正常地断开连接时，就会向Client的遗愿主题中发布一条消息。遗愿的相关设置是在建立连接时，在CONNECT数据包里面指定的。LWT配合Retained可以用于监测设备的连接状态：

（1）Client在连接时指定Will Topic为“client/status”，遗愿消息为“offline”，Will Retain=1；

（2）Client在连接成功后向同一个主题“client/status”发布一个内容为“online”的Retained消息。那么，订阅者在任何时候订阅“client/status”，都会获取Client当前的连接状态。

9.Keepalive

在生产环境下，特别是物联网这种无人值守的设备比较多的情况下，我们都希望设备能够自动从错误中恢复过来，比如在网络故障恢复以后，设备能够自动重新连接Broker。而Keepalive的存在就是为了实时监测设备的连接状态，以及时的完成保活。在建立起连接的时候我们会传递一个Keepalive的参数，单位为秒。MQTT协议规定，在1.5倍Keeplive的时间间隔内，如果Broker没有收到来自Cilent的任何数据包，那么就认为已经断开了。但是我们不能保证每一个1.5倍Keepalive中都刚好有数据传输，因此MQTT协议中设计了PINGREQ/PINGRESP数据包，在Cilent与Broker之间没有数据传输的时候，可以通过该机制传输非常小的数据内容来满足Keepalive的约定。值得注意的是，Keepalive还有这样的特性：

（1）如果在一个Keepalive时间间隔内，Client和Broker有过数据包传输，比如PUBLISH数据包，那Client就没有必要再使用PINGREQ数据包了，在网络资源比较紧张的情况下这点很重要；

（2）Keepalive的值是由Client指定的，不同的Client可以指定不同的值；

（3）Keepalive的最大值为18个小时12分15秒；

（4）Keepalive的值如果设为0的话，代表不使用Keepalive机制。