什么是 MQTT？

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級、基于發布-訂閱模式的消息傳輸協議，適用于資源受限的設備和低帶寬、高延遲或不穩定的網絡環境。它在物聯網應用中廣受歡迎，能夠實現傳感器、執行器和其它設備之間的高效通信。

MQTT 的工作原理

要了解 MQTT 的工作原理，首先需要掌握以下幾個概念：MQTT 客戶端、MQTT Broker、發布-訂閱模式、主題、QoS。

MQTT 客戶端

任何運行 MQTT 客戶端庫的應用或設備都是 MQTT 客戶端。例如，使用 MQTT 的即時通訊應用是客戶端，使用 MQTT 上報數據的各種傳感器是客戶端，各種 MQTT 測試工具也是客戶端。

MQTT Broker

MQTT Broker 是負責處理客戶端請求的關鍵組件，包括建立連接、斷開連接、訂閱和取消訂閱等操作，同時還負責消息的轉發。一個高效強大的 MQTT Broker 能夠輕松應對海量連接和百萬級消息吞吐量，從而幫助物聯網服務提供商專注于業務發展，快速構建可靠的 MQTT 應用。

發布-訂閱模式

發布-訂閱模式與客戶端-服務器模式的不同之處在于，它將發送消息的客戶端（發布者）和接收消息的客戶端（訂閱者）進行了解耦。發布者和訂閱者之間無需建立直接連接，而是通過 MQTT Broker 來負責消息的路由和分發。

下圖展示了 MQTT 發布/訂閱過程。溫度傳感器作為客戶端連接到 MQTT Broker，并通過發布操作將溫度數據發布到一個特定主題（例如 Temperature）。MQTT Broker 接收到該消息后會負責將其轉發給訂閱了相應主題（Temperature）的訂閱者客戶端。

主題

MQTT 協議根據主題來轉發消息。主題通過 / 來區分層級，類似于 URL 路徑，例如：

chat/room/1sensor/10/temperaturesensor/+/temperature

MQTT 主題支持以下兩種通配符：+ 和 #。

• +：表示單層通配符，例如 a/+ 匹配 a/x 或 a/y。
• #：表示多層通配符，例如 a/# 匹配 a/x、a/b/c/d。

注意：通配符主題只能用于訂閱，不能用于發布。

QoS

MQTT 提供了三種服務質量（QoS），在不同網絡環境下保證消息的可靠性。

• QoS 0：消息最多傳送一次。如果當前客戶端不可用，它將丟失這條消息。
• QoS 1：消息至少傳送一次。
• QoS 2：消息只傳送一次。

MQTT 的工作流程

在了解了 MQTT 的基本組件之后，讓我們來看看它的一般工作流程：

1. 客戶端使用 TCP/IP 協議與 Broker 建立連接，可以選擇使用 TLS/SSL 加密來實現安全通信。客戶端提供認證信息，并指定會話類型（Clean Session 或 Persistent Session）。
2. 客戶端既可以向特定主題發布消息，也可以訂閱主題以接收消息。當客戶端發布消息時，它會將消息發送給 MQTT Broker；而當客戶端訂閱消息時，它會接收與訂閱主題相關的消息。
3. MQTT Broker 接收發布的消息，并將這些消息轉發給訂閱了對應主題的客戶端。它根據 QoS 等級確保消息可靠傳遞，并根據會話類型為斷開連接的客戶端存儲消息。

開始使用 MQTT：快速教程

下面我們將通過一些簡單的示例來展示如何使用 MQTT。在開始之前，需要準備 MQTT Broker 和 MQTT 客戶端。

準備 MQTT Broker

您可以選擇私有部署或完全托管的云服務來建立自己的 MQTT Broker。或者您也可以使用免費的公共 Broker。

• 私有部署
  EMQX 是最具擴展性的開源 MQTT Broker，適用于物聯網、工業物聯網和車聯網。您可以運行以下 Docker 命令來安裝 EMQX。

docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx

• 全托管的云服務
  通過全托管的云服務啟動 MQTT 服務是最便捷的方式。如下圖所示，EMQX Cloud 可以在幾分鐘內啟動，并在 AWS、Google Cloud 和 Microsoft Azure 的 17 個區域提供運行支持。

• 免費的公共 MQTT Broker
  在本文中，我們將使用 EMQ 提供的免費公共 MQTT Broker，它基于完全托管的 MQTT 云服務 - EMQX Cloud 創建。服務器信息如下：

Server: broker.emqx.ioTCP Port: 1883WebSocket Port: 8083SSL/TLS Port: 8883Secure WebSocket Port: 8084

準備 MQTT 客戶端

在本文中，我們將使用 MQTTX 提供的支持瀏覽器訪問的 MQTT 客戶端工具，訪問地址為 http://www.emqx.io/online-mqtt-client 。 MQTTX 還提供了桌面客戶端和命令行工具。

MQTTX 是一款跨平臺的 MQTT 5.0 桌面客戶端，可在 macOS、Linux、Windows 操作系統上運行。其用戶友好的聊天式界面使用戶能夠輕松創建多個 MQTT/MQTTS 連接，并進行 MQTT 消息的訂閱和發布。

目前，各種編程語言都擁有成熟的開源 MQTT 客戶端庫。我們在流行的 MQTT 客戶端庫和 SDK 中精選了多個編程語言的 MQTT 客戶端庫，并提供了詳細的代碼示例，旨在幫助您快速了解 MQTT 客戶端的使用。

創建 MQTT 連接

在使用 MQTT 協議進行通信之前，客戶端需要創建一個 MQTT 連接來連接到 Broker。

在瀏覽器中打開 http://www.emqx.io/online-mqtt-client , 點擊頁面中間的 New Connection 按鈕，將看到如下頁面。

我們在 Name 中輸入 Simple Demo，然后點擊右上角的 Connect 按鈕，建立一個 MQTT 連接。如下圖所示，表示連接成功。

通過通配符訂閱主題

接下來，我們在上面創建的 Simple Demo 連接中通過通配符訂閱主題 sensor/+/temperature，這樣就可以接收所有傳感器發送的溫度數據了。

如下圖所示，點擊 New Subscription 按鈕，在彈出框中的 Topic 字段中輸入主題 sensor/+/temperature，QoS 保持默認值 0。

訂閱成功后，會在訂閱列表的中間看到新增了一條記錄。

發布 MQTT 消息

接下來，我們點擊左側菜單上的 + 按鈕創建兩個連接，分別命名為 Sensor 1 和 Sensor 2，用來模擬兩個溫度傳感器。

連接創建成功后，會看到三個連接，每個連接左側的在線狀態指示燈都是綠色的。

選擇 Sensor 1 連接，在頁面下方的發布主題中輸入 sensor/1/temperature，在消息框中輸入以下 JSON 格式的消息，然后點擊右下方的發布按鈕發送消息。

{"msg": "17.2"
}

如下圖所示，消息發送成功。

使用相同的步驟，在 Sensor 2 連接中發布以下 JSON 消息到 sensor/2/temperature 主題。

{"msg": "18.2"
}

您會看到 Simple Demo 連接收到兩條新消息。

點擊 Simple Demo 連接，會看到兩個傳感器發送的兩條消息。

MQTT 功能演示

保留消息

當 MQTT 客戶端向服務器發布消息時，可以設置保留消息標志。保留消息存儲在消息服務器上，后續訂閱該主題的客戶端仍然可以收到該消息。

如下圖所示，我們在 Sensor 1 連接中勾選 Retain 選項，然后向 retained_message 主題發送兩條消息。

接著，我們在 Simple Demo 連接中訂閱 retained_message 主題。訂閱成功后，會收到 Sensor 1 發送的第二條保留消息，這說明服務器只會為主題保留最近的一條保留消息。

Clean Session

MQTT 客戶端通常只能在在線狀態下接收其它客戶端發布的消息。如果客戶端離線后重新上線，它將無法收到離線期間的消息。

但是，如果客戶端連接時設置 Clean Session 為 false，并且使用相同的客戶端 ID 再次上線，那么消息服務器將為客戶端緩存一定數量的離線消息，并在它重新上線時發送給它。

本次演示使用的公共 MQTT 服務器設置為緩存 5 分鐘的離線消息，最大消息數為 1000 條，且不保存 QoS 0 消息。

下面，我們創建一個 MQTT 3.1.1 連接，并用 QoS 1 來演示 Clean Session 的使用。

MQTT 5.0 中將 Clean Session 拆分成了 Clean Start 與 Session Expiry Interval。

創建一個名為 MQTT V3 的連接，設置 Clean Session 為 false，選擇 MQTT 版本為 3.1.1。

連接成功后，訂閱 clean_session_false 主題，并將 QoS 設置為 1。

訂閱成功后，點擊右上角的斷開按鈕，斷開連接。

然后，創建一個名為 MQTT_V3_Publish 的連接，MQTT 版本也設置為 3.1.1。連接成功后，向 clean_session_false 主題發布三條消息。

接著，選擇 MQTT_V3 連接，點擊連接按鈕重新連接到服務器，會收到三條離線消息。

遺囑消息

MQTT 客戶端在向服務器發起 CONNECT 請求時，可以選擇是否發送遺囑消息標志，并指定遺囑消息的主題和有效載荷。

如果 MQTT 客戶端異常離線（在斷開連接前沒有向服務器發送 DISCONNECT 消息），MQTT 服務器會發布遺囑消息。

我們創建一個名為 Last Will 的連接來演示這個功能。為了快速看到效果，我們把 Keep Alive 設置為 5 秒。

• Last-Will Topic 設置為 last_will。
• Last-Will QoS 設置為 1。
• Last-Will Retain 設置為 true。
• Last-Will Payload 設置為 offline。

連接成功后，我們斷開電腦網絡超過 5 秒（模擬客戶端異常斷開連接），然后再恢復網絡。

接著啟動 Simple Demo 連接，并訂閱 last_will 主題。您會收到 Last Will 連接設置的遺囑消息。

本文詳細介紹了 MQTT 的基本概念和使用流程，您可以按照本文所學的內容嘗試使用 MQTT 協議。