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04 Jan 2023
MQTT 入门指南
MQTT 详解。在物联网（IoT）环境中开始使用 MQTT 和 MQTT-SN。
掌握在物联网（IoT）环境中理解并开始使用 MQTT 协议和 MQTT-SN 所需的知识。
将数据从 A 点传输到 B 点并返回的方法不胜枚举，但要确保传输的可靠性却并非易事。物联网设备和应用程序（也称为“物”）需要一种可靠、健壮且安全的消息传递协议。这就是 MQTT 发挥作用的地方。
本文涵盖的内容：
什么是 MQTT？MQTT 详解
- MQTT（消息队列遥测传输）是一种消息协议，旨在为机器间（M2M）通信建立一个可靠的标准。
- MQTT 是一种发布-订阅协议，这意味着客户端设备和应用程序无需直接与服务器通信，而是向由代理（broker）管理的主题进行发布和订阅。
- MQTT通常使用TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）作为传输层，但也可以使用其他双向传输协议。
- 凭借其高效性和灵活性，MQTT 已成为物联网通信的事实标准。u-blox 利用该协议覆盖各种无线网络（2G-4G 蜂窝网络和 LoRa）及协议（USSD、UDP），为开发者提供熟悉且简单的体验。
- MQTT 允许设备和系统（客户端）通过发送消息进行通信。消息并非直接在客户端之间发送，而是由客户端发布到存储在 MQTT 代理中的主题*中。
- 客户端通过订阅一个或多 个主题来接收消息，并从该时刻起开始接收相关消息。
- 主题就像街道地址——它们形成了一棵树，越往下走，具体程度就越高。
- 发布消息时可设置不同的服务质量（QoS）级别，这些级别定义了消息的可靠性，以及是否生成投递回执。
- MQTT 由 Andy Stanford Clark 和 Arlen Nipper 于 1999 年创建。
实用链接：
MQTT 规范
MQTT 是一项 OASIS 标准。该规范由 OASIS MQTT 技术委员会负责管理。有关该标准和规范的更多信息，请参阅以下链接：
什么是 MQTT-SN？
MQTT-SN（传感器网络版 MQTT）是一种针对传感器网络等低功耗环境进行优化的 MQTT 变体，顾名思义。
在标准功能集的基础上，SN 针对需要更低功耗的应用场景增加了额外功能。这些额外功能包括：
- QoS 模式 -1：支持“发送即忘”式消息传输
- 主题别名：可简化发布流程并减少数据开销
- 休眠模式（断开连接的会话）：当远程设备或终端断电时，允许消息在代理上排队
为何 MQTT 非常适合物联网
归根结底，物联网（IoT）只有一项任务：在网络上实现设备间的数据传输。 问题在于，这些网络可能遍布世界各地，且每张网络都面临着诸多可能导致其故障的状况。MQTT（以及其扩展版本 MQTT-SN）内置了众多功能，有助于缓解其中一些问题。以下列出部分主要功能：
1. 简单易用
MQTT 的部署和运行既快速又简单。市面上有数百万个现成的客户端应用程序，可用的消息代理数量也几乎同样庞大。您现在就可以使用 u-blox Thingstream 平台内置的消息代理，立即开始使用 MQTT。
2. 可靠性高
许多物联网设备依赖无线连接来传输和收集数据，这意味着连接性并不总是可靠的。MQTT 允许将消息存储在消息代理中，直到设备准备好接收为止。 得益于 QoS（服务质量）功能，MQTT 能够将消息放入队列，确保消息送达目的地，并在必要时确保每条消息仅被接收一次。
3. 双向消息传递
或许更准确地说，MQTT 属于全向通信。任何设备、物联网设备或应用程序均可发布或订阅由代理处理的任何主题。这意味着网络中可以进行通信或监听的对象没有限制。
4. 大规模消息传输
向一百万台设备广播一条消息，与向仅一百台设备发送同样简单。要让网络上的所有设备都能接收到消息，物联网设备只需向所有设备都订阅的主题发布消息即可。
MQTT 有哪些优势？
- 简化通信
通信是一个复杂的问题。MQTT 降低了复杂性，允许通过单个连接访问消息主题。数据具有逻辑结构，且可灵活处理。 - 消除轮询
即时、基于推送的传输方式，使消息消费者无需定期检查或“轮询”新信息。这极大地减少了网络流量。 - 动态目标定位
MQTT 使服务发现更轻松且更少出错。发布者无需维护应用程序可发送消息的对等节点列表，只需将消息发布到主题即可。 - 解耦与扩展
MQTT 还使解决方案更加灵活，并支持扩展。它允许更改通信模式，在添加或修改功能时，不会在整个系统中产生连锁反应。
MQTT 客户端与代理
不要再用“客户端和服务器”的思维模式，而应改用“客户端和代理”的思维模式。 在传统的客户端/服务器关系中，客户端与服务器建立连接，而服务器被视为数据的存储和分发中心。在 MQTT 中，这一过程有所不同。消息代理（broker）扮演着更为被动的角色，更像是一个指示数据应流向何处的路标。
MQTT 客户端
任何运行 MQTT 库并通过网络连接到代理的设备（从微控制器到大型服务器）都可以有效地成为客户端。
客户端之间不会直接发送消息，而是通过消息代理管理的主题进行通信。这些主题的工作原理有点像电子邮件收件箱：设备将消息发布到主题上；当设备订阅这些主题时，便会接收这些消息。
MQTT 消息代理
代理负责处理网络中设备的身份验证，并管理连接、会话和订阅。其主要职责是接收所有发布的消息，然后将其发送给已订阅的客户端。代理还会为已订阅的客户端将消息放入队列，并根据约定的服务质量（QoS）级别进行投递。
MQTT 设备和应用程序
在 MQTT 网络中，设备和应用程序通常被称为“设备”。这是因为从代理的角度来看，二者并无区别。因此，设备和应用程序均可发布和订阅由代理管理的主题。
设备
目前，现场存在多种 类型的支持 MQTT 的设备，从基于 Arduino 的简单设备，到用于关键任务型商业、工业和医疗应用的设备，不一而足。许多智能家庭和企业系统也是围绕相互连接的 MQTT 设备构建的。
Instant IoT
针对希望启动数字化转型或物联网试点的企业，u-blox 开发了XPLR-IOT-1。
XPLR-IOT-1 内置了MQTT Anywhere连接功能，这意味着它开箱即用，可在 190 多个国家/地区运行。
MQTT Anywhere
MQTT 主题
消息并非直接在设备之间传递，而是发布到“主题”中。随后，消息代理会将这些消息分发给任何已订阅的客户端。
MQTT 主题的结构
- 主题由一个或多个主题层级组成，各层级之间以正斜杠分隔：
- 主题名称区分大小写
- 主题无需在消息代理处预先注册。
MQTT-SN 主题功能
MQTT-SN 添加了一些特殊主题功能，以适应带宽受限的环境：
- 如果使用预定义主题，您可以在代理服务器上创建主题别名，客户端随后即可直接使用该别名，无需事先注册。这可以减少计费消息的数量。
- 无论在哪个方向，都不必通过无线网络传输长主题名称。这既节省了带宽，也无需在内存中存储长主题名称。
- 如果不使用预定义主题，设备将使用 REGISTER 命令向服务器注册主题名称。服务器将返回包含一个由 2 个字符组成的主题 ID 的 REGACK 响应。请注意，客户端每次连接时都需要注册该主题。
为什么要使用主题？
主题是组织网络数据流的绝佳方式，随着规模的扩大，这一点会变得更加明显。 例如，如果您在多个站点部署了配备多个传感器的设备，您可以将所有数据放入一个有效载荷中，并在数据到达目的地时进行解析；或者，您可以采用 MQTT 的方式，利用主题将数据进行划分，如下所示：
- site1/position
- site1/temp
- site1/振动
- site2/position
- site2/temp
- 站点2/振动
当传输的数据按主题划分时，Things 即可订阅其感兴趣的主题。如果某个设备对多个主题感兴趣，可以分别订阅这些主题，也可以使用通配符。例如，要获取来自 site1 的所有数据，应使用通配符“site1/#”。 您还可以使用通配符“+/temp”获取所有站点中的所有“temp”数据。
连接
连接始终在客户端与消息代理之间建立。客户端无法直接相互连接。
连接的建立由客户端发送 CONNECT 消息发起，消息代理随后以 CONNACK（连 接确认）进行响应。若要以服务质量（QoS）级别 0、1 或 2 发布消息，或订阅任何主题，都必须建立连接。 客户端通常使用客户端 ID（ClientID）、用户名和密码连接到消息代理。在任何给定时间，一个客户端与同一消息代理之间只能建立一条连接。
干净会话
“干净会话”设置允许您从零开始，队列中不包含任何消息。
- false：消息代理会存储该客户端的所有订阅，并将以 QoS 级别 1 或 2 发布的、属于该订阅的任何消息放入队列
- true：当客户端连接时，代理会清除所有队列中的消息。
保持活动
“保持活动”设置定义了在代理或客户端未发送消息的情况下，连接可以维持的最长时间。
请注意，当客户端处于连接状态时，消息代理会立即投递发布到客户端已订阅主题上的任何消息。因此，特别是在连接不稳定的情况下（例如移动通信），应将保持活动时间保持在最低限度，以防止可能的数据丢失。
休眠（仅限 SN）
MQTT-SN 客户端可以通过发送一个 DURATION 值大于 0 的 DISCONNECT 消息，告知代理它将进入一段时间的休眠状态。
当客户端处于休眠状态时，无论发布时使用的 QoS 级别如何，代理都会将发布到客户端已订阅主题的所有消息放入队列中。
从睡眠状态中，客户端可以通过发出 PINGREQ 来清空队列。如果存在待发送的消息，代理将返回 PUBLISH 响应；当清空完成后，代理将返回 PINGRESP，使设备恢复睡眠状态。
订阅
客户端之间不会直接连接，而是通过订阅主题来接收消息。
要订阅某个主题，客户端必须首先向消息代理发送 SUBSCRIBE 请求。SUBSCRIBE 请求中可以包含多个主题。消息代理会通过 SUBACK（订阅确认）响应来回应 SUBSCRIBE 请求。 订阅还具有 QoS 设置，可用于降低发布消息的 QoS 级别。在此情况下，消息将始终以较低的 QoS 设置进行发布。
订阅通配符
订阅可以使用以下两种类型的通配符之一。
单级通配符 (+)
单级通配符可替换一个主题级别。如下图所示。
此通配符将涵盖以下主题：
- sensors/soil/out
- sensors/water/out
- 传感器/光照/输出
多级 (#)
多级通配符可替换多个主题级别：
此通配符将涵盖以下主题：
- sensors/soil/out
- 传感器/土壤/输入
- sensors/temperature/out
MQTT 服务质量（QoS）详解
传输保障由 QoS（服务质量）定义。
在此，您将了解如何、何时以及在何处使用 QoS，以及哪些级别适合您的物联网应用。
QoS 级别
MQTT 和 MQTT-SN 支持多种 QoS 级别，以保证消息的投递。
QoS -1 – 发送即忘
QoS -1（负一）非常适合低功耗、非关键型应用，此类应用中并不要求每条消息都必须送达目的 地。由于不与消息代理建立硬连接且不接收确认，因此完成交易所需的功耗大大降低。
QoS -1 的主要特点：
- 仅适用于使用 MQTT-SN 的设备
- 无需建立 MQTT 连接
- 接收方不发送确认
- 发送方不会进行重试
- 在到达消息代理时，其行为与 QoS 0 类似
何时使用 QoS -1：
- 非常适合功耗受限的物联网设备，以最大限度地减少空中传输时间
- 最大限度降低消息传输成本
- 若消息投递不关键（例如频繁发送的数据），则可采用
QoS 0 – 至多一次
QoS 0（零）用于确保一条消息最多只到达目的地一次。与 QoS -1 不同，此方法需要建立 MQTT 连接，因此在功耗方面效率较低。
QoS 0 的主要特点：
- 尽力而为的消息投递
- 接收方不发送确认
- 发送方不进行重试
- 对于对该主题拥有有效订阅但已断开连接的客户端，消息代理不会将其放入队列
何时使用 QoS 0：
- 适用于功耗受限的物联网设备，以最大限度地减少空中传 输时间
- 最大限度降低消息传输成本
- 若消息投递不关键（例如频繁发送的数据），则适用
- 由于需要执行 CONNECT 操作，其效率不如 MQTT-SN QoS -1
QoS 1 – 至少一次
当消息投递至关重要时，应使用 QoS 1。这通过将消息放入队列中，直至订阅者能够接收为止来实现。
QoS 1 的主要特点：
- 保证消息至少被投递给接收方一次。
- 发送方将消息存储，直到收到接收方的 PUBACK 确认
- 消息可能会被发送或投递多次。
何时使用 QoS 1：
- 当必须接收每条消息，但需确保能够处理重复消息时使用
- 若希望消息在代理上排队，以便投递给脱机客户端，请使用此级别
- 当 QoS 2 的开销过高时使用
QoS 2 – 仅一次
当消息需要仅被接收一次时，应使用 QoS 2。当消息的送达至关重要时，应采用此级别。
- QoS 2 是最安全但速度最慢的服务质量级别
- 通过在发送方和接收方之间使用至少两个请求/响应流（四步握手），确保每条消息仅 被目标接收方接收一次。
何时使用 QoS 2：
- 当消息投递至关重要，且数据重复会对订阅者造成危害时，应使用此级别
QoS 降级
当网络中存在大量设备时，可能需要不同的 QoS 级别。 为实现这一点，MQTT 允许在订阅者节点上降低 QoS 级别。其结果是，发布的消息的 QoS 不一定与接收到的消息的 QoS 相同。
QoS 由原始发布者定义，但当代理将消息转发给订阅者时，将采用“发布（PUBLISH）”时的 QoS 与“订阅（SUBSCRIBE）”时定义的 QoS 中的较低者。
安全性——MQTT 是否安全？
确保物联网设备的安全性与确保其正常运行同样重要，且网络上的每个链路或节点都可能成为潜在的攻击载体。虽然协议本身包含一些安全机制，但考虑传输层之外的因素也至关重要。
网络层安全
首先需要考虑安全性的就是网络本身。通过使用 VPN 隧道确保网络连接的安全，可以防止网络流量暴露。
传输层安全
与 HTTP 流量类似，MQTT 流量也可通过 TLS/SSL 在传输层进行加密保护。
应用层安全
协议本身提供了唯一的客户端标识以及用户名/密码凭据，这应被视为最低安全要求。
有效载荷加密
通过在应用层对有效载荷本身进行加密，可以进一步增强安全性。
u-blox Thingstream MQTT 安全性
u-blox Thingstream 服务交付平台通过不暴露设备的 IP 地址，在上述安全措施之上增加了额外的安全层。由于设备与互联网之间不存在物理连接，这使得设备更难遭到利用。
MQTT v5.0 及未来发展
2019 年，标准组织 OASIS 发布了官方的 MQTT 5.0 标准。
5.0 版本标准新增功能：
- 原因代码：确认消息现支持返回代码，可提供失败原因。
- 共享订阅：允许在客户端之间平衡负载，从而降低负载问题的风险
- 消息过期：消息可包含过期日期，若在此时间段内未送达，则会被删除。
- 主题别名：主题名称可替换为单个数字
u-blox MQTT IoT 服务
- MQTT Anywhere- 基于SIM卡的LPWA物联网通信即服务
- MQTT Flex——支持自带SIM卡的MQTT-SN通信，提供LTE和NB-IoT连接
- MQTT Now——面向 IP 设备的基于云的 MQTT 集成
