物聯網IoT系列之MQTT協議基礎知識

物聯網IoT是什么？

物聯網（Internet of Things，簡稱IoT）是一個由互聯網、傳統電信網、傳感器網絡等組成的龐大網絡，它通過嵌入式傳感器、設備和軟件，將物理世界中的物體連接起來，實現物與物、物與人、物與網絡之間的智能化交互。簡單來說，物聯網就是讓“萬物互聯”，讓設備能夠自主地感知、傳輸和處理數據，從而為人類生活和工業生產帶來更高的效率和便利。

什么是MQTT？

MQTT（Message Quelemetry Transport）是一種輕量級的、基于發布訂閱模式的網絡傳輸協議，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。它在物聯網環境中應用廣泛，能夠實現傳感器、執行器和其他設備之間的高效通信。

為什么說MQTT是適用于物聯網的協議？

• 輕量級設計：MQTT協議頭部最小僅2字節，網絡傳輸開銷極小，適合在窄帶網絡（如NB-IoT）中使用。
• 低功耗：使用異步傳輸機制和較小的數據包傳輸，使得設備在通信過程中的能耗更低。
• 高可靠性：提供3種QoS級別（0/1/2），確保消息必達。
• 靈活擴展：通過主題（Topic）和通配符機制，設備可以靈活訂閱和發布消息，支持大規模設備接入。
• 適應不穩定網絡：心跳機制和會話恢復功能，確保設備在斷網后能夠快速恢復連接并獲取未讀消息。

MQTT工作原理

核心組件

• 發布者（Publisher）：將消息發布到指定的主題（Topic），例如溫度傳感器、智能開關等。
• 消息代理（Broker）：作為中間節點，負責接收發布者的消息并轉發給訂閱者，例如EMQX、Mosquitto、AWS IoT等。
• 訂閱者（Subscriber）：訂閱特定Topic的消息，例如手機App、云端控制臺等。

核心機制

• Topic通配符
  • 示例：home/floor1/#，訂閱floor1下所有子主題的消息。
• QoS機制
  • QoS是MQTT中用于控制信息傳輸質量的機制，MQTT定義了三種不同的QoS等級：QoS 0、QoS 1和QoS 2。

QoS等級	傳輸過程	適用場景
0	最多發送一次（無需確認）	實時性高但允許丟失數據的場景
1	至少一次（Broker確認）	設備控制指令
2	精確一次（四次握手確保唯一性）	支付、安全告警

MQTT工作流程

1. 建立連接

客戶端向Broker發送CONNECT報文，包含客戶端ID、用戶名和密碼等認證信息。Broker驗證后返回CONNACK報文，表示連接成功。

2. 發布和訂閱

• 發布：發布者將消息通過PUBLISH報文發送到Broker指定的主題（Topic），Broker根據訂閱關系將消息發送給指定的訂閱者。
• 訂閱：訂閱者發送SUBSCRIBE報文，指定要訂閱的主題（Topic）和QoS級別。

3. 消息確認

根據QoS級別，消息可能需要確認：

• QoS 0：消息“最多發送一次”，無需確認。
• QoS 1：消息“至少發送一次”，需要確認。
• QoS 2：消息“僅發送一次”，需要復雜的確認流程。

4. 斷開連接

客戶端發送DISCONNECT報文，通知Broker主動斷開連接。

MQTT工作流程圖

以下是文字描述的流程圖結構：

客戶端|v
[建立連接] -> [發送CONNECT報文] -> [接收CONNACK報文]|v
[發布消息] -> [發送PUBLISH報文] -> [Broker轉發消息]|v
[訂閱消息] -> [發送SUBSCRIBE報文] -> [接收消息]|v
[消息確認] -> [根據QoS級別確認消息]|v
[斷開連接] -> [發送DISCONNECT報文]

MQTT工作流程圖：

MQTT在物聯網中的應用

MQTT廣泛應用于設備監控、車聯網、智能家居等領域。例如：

• 工業設備監控：通過MQTT實現設備狀態的實時傳輸。
• 智慧城市：用于環境傳感器實時傳輸溫度、濕度等數據。
• 智能家居：通過MQTT連接智能設備，實現遠程控制和自動化管理。