物联网IoT系列之MQTT协议基础知识

物联网IoT是什么？

物联网（Internet of Things，简称IoT）是一个由互联网、传统电信网、传感器网络等组成的庞大网络，它通过嵌入式传感器、设备和软件，将物理世界中的物体连接起来，实现物与物、物与人、物与网络之间的智能化交互。简单来说，物联网就是让“万物互联”，让设备能够自主地感知、传输和处理数据，从而为人类生活和工业生产带来更高的效率和便利。

什么是MQTT？

MQTT（Message Quelemetry Transport）是一种轻量级的、基于发布订阅模式的网络传输协议，适用于资源受限的设备和低带宽、高延迟或不稳定的网络环境。它在物联网环境中应用广泛，能够实现传感器、执行器和其他设备之间的高效通信。

为什么说MQTT是适用于物联网的协议？

• 轻量级设计：MQTT协议头部最小仅2字节，网络传输开销极小，适合在窄带网络（如NB-IoT）中使用。
• 低功耗：使用异步传输机制和较小的数据包传输，使得设备在通信过程中的能耗更低。
• 高可靠性：提供3种QoS级别（0/1/2），确保消息必达。
• 灵活扩展：通过主题（Topic）和通配符机制，设备可以灵活订阅和发布消息，支持大规模设备接入。
• 适应不稳定网络：心跳机制和会话恢复功能，确保设备在断网后能够快速恢复连接并获取未读消息。

MQTT工作原理

核心组件

• 发布者（Publisher）：将消息发布到指定的主题（Topic），例如温度传感器、智能开关等。
• 消息代理（Broker）：作为中间节点，负责接收发布者的消息并转发给订阅者，例如EMQX、Mosquitto、AWS IoT等。
• 订阅者（Subscriber）：订阅特定Topic的消息，例如手机App、云端控制台等。

核心机制

• Topic通配符
  • 示例：home/floor1/#，订阅floor1下所有子主题的消息。
• QoS机制
  • QoS是MQTT中用于控制信息传输质量的机制，MQTT定义了三种不同的QoS等级：QoS 0、QoS 1和QoS 2。

QoS等级	传输过程	适用场景
0	最多发送一次（无需确认）	实时性高但允许丢失数据的场景
1	至少一次（Broker确认）	设备控制指令
2	精确一次（四次握手确保唯一性）	支付、安全告警

MQTT工作流程

1. 建立连接

客户端向Broker发送CONNECT报文，包含客户端ID、用户名和密码等认证信息。Broker验证后返回CONNACK报文，表示连接成功。

2. 发布和订阅

• 发布：发布者将消息通过PUBLISH报文发送到Broker指定的主题（Topic），Broker根据订阅关系将消息发送给指定的订阅者。
• 订阅：订阅者发送SUBSCRIBE报文，指定要订阅的主题（Topic）和QoS级别。

3. 消息确认

根据QoS级别，消息可能需要确认：

• QoS 0：消息“最多发送一次”，无需确认。
• QoS 1：消息“至少发送一次”，需要确认。
• QoS 2：消息“仅发送一次”，需要复杂的确认流程。

4. 断开连接

客户端发送DISCONNECT报文，通知Broker主动断开连接。

MQTT工作流程图

以下是文字描述的流程图结构：

客户端
  |
  v
[建立连接] -> [发送CONNECT报文] -> [接收CONNACK报文]
  |
  v
[发布消息] -> [发送PUBLISH报文] -> [Broker转发消息]
  |
  v
[订阅消息] -> [发送SUBSCRIBE报文] -> [接收消息]
  |
  v
[消息确认] -> [根据QoS级别确认消息]
  |
  v
[断开连接] -> [发送DISCONNECT报文]

MQTT工作流程图：

MQTT在物联网中的应用

MQTT广泛应用于设备监控、车联网、智能家居等领域。例如：

• 工业设备监控：通过MQTT实现设备状态的实时传输。
• 智慧城市：用于环境传感器实时传输温度、湿度等数据。
• 智能家居：通过MQTT连接智能设备，实现远程控制和自动化管理。