MQTT 介绍

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议） 是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用而设计，可以用极少的代码为联网设备提供实时可靠的消息服务。

介绍

• MQTT 教程 **强烈推荐**
• 特点
  • 发布/订阅(publish/subscribe)模式
    • Topic
    • 提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合
  • 轻量高效（MQTT 的最小报文仅为 2 个字节，比 HTTP 占用更少的网络开销），节省带宽
  • 可靠的消息传递
  • 海量连接支持
  • 在线状态感知
  • 使用 TCP/IP 提供网络连接，支持 TLS/SSL 安全双向通信
  • QoS(Quality of Service levels)
    • QoS 0 消息会发生丢失或重复
    • QoS 1 消息将至少传送一次给订阅者
    • QoS 2 保证消息仅传送到目的地一次，在发送方和接收方之间需要两个流
    • 三种消息发布服务质量：
      • 至多一次 消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络，会发生消息丢失或重复
        • 一般用于如：环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送
      • 至少一次 确保消息到达，但消息重复可能会发生
      • 只有一次 确保消息到达一次
        • 在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果
        • 这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的 APP 的推送，确保用户收到且只会收到一次
  • 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制
    • Last Will（遗言机制） 用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接
    • Testament（遗嘱机制） 功能类似于 Last Will
  • 保留（Retain）消息
    • 每个主题最多可以储存一条保留消息
    • 在发送 PUBLISH 的时候把 Retain 设置为 1 或者 True，表示当前消息是保留消息，保留消息进入服务端
    • 默认情况下，当保留消息当成普通消息向订阅者转发的时候，保留消息中的 retain 标识会被清除也就是设置为 0，只有当新的订阅建立的时候，发送保留消息的 retain 会设置为 1，表示这是一个保留消息
• Clean Session

主题

• 更多参考
• MQTT 协议根据主题来转发消息
• 每个 Topic 都是一个 UTF-8 的字符串，主题通过 / 来区分层级，不能包括控制，类似于 URL 路径，例如：

abc/xyz/1
sensor/1/temperature

• MQTT 主题支持以下两种通配符：+ 和 #
  • + 表示单层通配符，例如 a/+ 匹配 a/x、a/y
  • # 表示多层通配符，例如 a/# 匹配 a/x、a/b/c/d
• 通配符主题只能用于订阅，不能用于发布
• $ 开头的主题必须由服务端来决定其使用方式和场景
  • 以 $SYS/ 开头的主题为系统主题，系统主题主要用于获取 MQTT 服务器自身运行状态、消息统计、客户端上下线事件等数据
  • 共享订阅 $share/<group>/<topic>
  • $delay 前缀用于实现消息的延迟发布
• 使用斜杠 / 分隔不同的层级，例如 home/livingroom/temperature。
• 避免前导斜杠，例如 /myhome/temperature。这会引入一个空的顶级层级，没有实际意义且可能导致混淆
• 避免空层级，例如 home//temperature
• 区分大小写，例如 home/temperature 和 Home/Temperature 是不同的 Topic。建议统一使用小写字母，以避免混淆
• Topic 长度应尽量短而精炼，因为 Topic 会包含在每个消息中，过长的 Topic 会增加网络开销，尤其对于资源受限的设备。
  • MQTT 规范允许 Topic 长度最大为 65535 字节，但实际应用中应远低于此
• 区分数据 Topic 和命令 Topic:
  • 明确区分发布数据（状态）和发送命令的 Topic
  • 常见的做法是在命令 Topic 中加入 /cmd 或 /set，在状态 Topic 中加入 /status 或 /state
  • 例如：
    • home/livingroom/light/state (发布灯的状态)
    • home/livingroom/light/set (发送命令控制灯)
• 嵌入唯一标识符，在 Topic 中嵌入设备 ID 或其他唯一标识符，以便定位特定设备或服务。例如：devices/sensor001/temperature

智能家居/物联网设备

• 设备状态/数据上报:

  • home/livingroom/temperature/current (客厅当前温度)
  • home/bedroom/light/state (卧室灯状态：on/off)
  • home/frontdoor/lock/status (前门锁状态：locked/unlocked)
  • home/garden/soil/moisture (花园土壤湿度)
  • device/12345/sensor/temperature (某个设备的温度传感器数据)

• 设备控制/命令下发:

  • home/livingroom/light/set (设置客厅灯状态，Payload: {"state": "on", "brightness": 100})
  • home/bedroom/thermostat/cmd (发送命令控制卧室恒温器，Payload: {"target_temp": 22.5})
  • device/12345/cmd/reboot (命令设备重启)

• 设备属性/配置:

  • device/12345/config/update (更新设备配置)
  • device/12345/firmware/version (获取设备固件版本)

• 报警/事件:

  • home/security/alarm/triggered (安全警报触发)
  • home/kitchen/smoke_detector/alert (厨房烟雾报警)

车辆物联网 (Connected Car)

• 车辆数据:

  • vehicle/VIN123/location/latitude
  • vehicle/VIN123/location/longitude
  • vehicle/VIN123/speed
  • vehicle/VIN123/engine/status
  • vehicle/VIN123/fuel_level

• 车辆控制:

  • vehicle/VIN123/control/lock (远程锁车)
  • vehicle/VIN123/control/engine/start (远程启动引擎)

• 诊断信息:

  • vehicle/VIN123/diagnostics/error_code
  • vehicle/VIN123/maintenance/status

MQTT 协议实现

• MQTT 协议中有三种身份：
  • 发布者（Publish）
  • 代理（Broker），也称为 MQTT 服务器
  • 订阅者（Subscribe）

publish <-> MQTT Broker <-> multi Subscribe

• 消息的发布者和订阅者都是 客户端，消息代理是 服务器，消息发布者可以同时是订阅者
  • 客户端
    • 发布其他客户端可能会订阅的信息
    • 订阅其它客户端发布的消息
    • 退订或删除应用程序的消息
    • 断开与服务器连接
  • 服务器
    • 接受来自客户的网络连接
    • 接受客户发布的应用信息
    • 处理来自客户端的订阅和退订请求
    • 向订阅的客户转发应用程序消息
• MQTT 传输的消息分为：
  • 主题（Topic） 即消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）
    • 连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端
    • 目的：消息路由，类似与 url，使用 / 分割层级，支持通配符
      • + 表示通配一个层级，例如 a/+ 匹配 a/x、a/y
      • # 表示通配多个层级，例如 a/# 匹配 a/x、a/b/c/d

chat/room/1
sensor/1/temperature

• 负载（payload） 即消息的内容，是指订阅者接收的内容
• 核心概念
  • 订阅包含 主题筛选器（Topic Filter） 和 最大服务质量（QoS）。订阅会与一个 会话（Session） 关联
    • 一个会话可以包含多个订阅，每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器
  • 会话（Session） 每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互
    • 会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接
  • 主题筛选器（Topic Filter）一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题
• MQTT 协议中的方法
  • Connect 等待与服务器建立连接，使用 Clean Session 标志设置会话
    • 0 表示创建一个持久会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销
      • 保留消息(Retained Message) 会驻留在消息服务器，后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息
    • 1 表示创建一个新的临时会话，在客户端断开时，会话自动销毁
  • Disconnect 等待 MQTT 客户端完成所做的工作，并与服务器断开 TCP/IP 会话
  • Subscribe 等待完成订阅
  • UnSubscribe 等待服务器取消客户端的一个或多个 topics 订阅
  • Publish MQTT 客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程

MQTT 软件实现

• 参考

• Mosquitto Broker

• EMQX

• NanoMQ

客户端库

参考 https://github.com/mqtt/mqtt.org/wiki/libraries

采集

使用 Telegraf 可以采集 mqtt 信息到 influxdb 数据库