前言
前面讲了Android如何通过串口通信操作硬件，但实际业务场景大多是既可以屏幕操控硬件也可以远程下发操控，这时就需要MQTT协议来完成这一工作。本文将介绍MQTT协议及其在物联网设备通信中的应用。
一、初识MQTT
1. 什么是MQTT协议
MQTT是一种轻量级的消息传递协议，全称为Message Queuing Telemetry Transport。它是基于发布-订阅模式的协议，可以在分布式系统中实现设备之间的消息传递和通信。
2. 为什么要用MQTT
它是一种非常轻量级的二进制协议，并且由于其最小的数据包开销，与 HTTP 等协议相比，MQTT在通过网络传输数据时表现出色。该协议的另一个重要方面是 MQTT 在客户端非常容易实现。易用性是 MQTT 开发的一个关键问题，使其非常适合当今资源有限的受限设备。
3. MQTT诞生背景
- 1999 年：Andy Stanfork-Clark (IBM) 和 Arlen Nipper 发布 MQTT 协议，用于通过卫星连接石油管道遥测系统，MQTT 中的 TT (Telemetry Transport) 就是源于这样一个遥测系统；
- 2010 年：MQTT 协议免费发布；
- 2014 年：MQTT 协议正式成为 OASIS 标准，经过多年的发展，MQTT 协议已经成为互联网 (IoT) 的主要协议之一。
目前，MQTT 主要分为两个大版本：
- MQTT v3： 其中 v3.1.1 是目前接入设备最多的版本；
- MQTT v5： 2018 年发布，部分设备接入。
4. MQTT核心要求
- 简单实现
- 服务质量数据传输
- 轻巧且带宽高效
- 数据不可知
- 连续会话意识
5. MQTT 发布/订阅模式
MQTT 发布/订阅模式（也称为发布/订阅）提供了传统客户端-服务器架构的替代方案。在客户端-服务器模型中，客户端直接与端点通信。发布/订阅模型将发送消息的客户端（发布者）与接收消息的客户端（订阅者）分离。发布者和订阅者从不直接联系对方。事实上，他们甚至不知道对方的存在。它们之间的连接由第三个组件（代理）处理。代理的工作是过滤所有传入的消息并将它们正确分发给订阅者。
pub/sub 最重要的方面是消息的发布者与接收者（订阅者）的解耦。这种解耦有几个方面：
- 空间解耦：发布者和订阅者不需要相互了解（例如，不需要交换 IP 地址和端口）。
- 时间解耦：发布者和订阅者不需要同时运行。
- 同步解耦：两个组件的操作在发布或接收过程中不需要中断。
总之，MQTT 发布/订阅模型消除了消息发布者与接收者/订阅者之间的直接通信。代理的过滤活动可以控制哪个客户端/订阅者接收哪个消息。解耦具有三个维度：空间、时间和同步。
6. 可拓展性
pub/sub 比传统的客户端/服务器模式有了更好的拓展，这是由于 broker 的高度并行化，并且是基于事件驱动的模式。可扩展性还体现在消息的缓存和消息的智能路由，还可以通过集群代理来实现数百万的连接，使用负载均衡器将负载分配到更多的单个服务器上，这就是 MQTT 的深度应用了。
7. 消息过滤
- 基于主题的过滤此过滤基于属于每条消息的主题。接收客户端向代理订阅感兴趣的主题，订阅后，broker 就会确保客户端收到发布到 topic 中的消息。
- 基于内容的过滤在基于内容的过滤中，broker 会根据特定的内容过滤消息，接受客户端会经过过滤他们感兴趣的内容。这种方法的一个显著的缺点就是必须事先知道消息的内容，不能加密或者轻易修改。
- 基于类型的过滤当使用面向对象的语言时，基于消息（事件）的类型/类进行过滤是一种常见做法。例如，订阅者可以收听所有类型为 Exception 或任何子类型的消息。
**发布/订阅并不是每个用例的答案。在使用此模型之前，您需要考虑一些事项。**发布者和订阅者的解耦是发布/订阅的关键，它本身也带来了一些挑战。例如，您需要事先了解已发布数据的结构。对于基于主题的过滤，发布者和订阅者都需要知道要使用哪些主题。要记住的另一件事是消息传递。发布者不能假定有人正在收听所发送的消息。在某些情况下，可能没有订阅者阅读特定消息。
8. 主要特性
- MQTT 在空间上解耦了发布者和订阅者。要发布或接收消息，发布者和订阅者只需要知道代理的主机名/IP 和端口。
- MQTT 按时间解耦。尽管大多数 MQTT 用例近乎实时地传递消息，但如果需要，代理可以为不在线的客户端存储消息。（必须满足两个条件才能存储消息：客户端已连接到持久会话并订阅了服务质量大于 0 的主题）。
- MQTT 异步工作。因为大多数客户端库异步工作并且基于回调或类似模型，所以任务在等待消息或发布消息时不会被阻塞。在某些用例中，同步是可取且可能的。为了等待某个消息，一些库有同步 API。但流程通常是异步的。
二、MQTT通信过程
1. 连接到MQTT服务器
使用MQTT协议建立通信的第一步是连接到MQTT服务器。MQTT客户端需要提供MQTT服务器的IP地址和端口号，以建立到服务器的TCP连接。一旦连接建立成功，客户端将发送连接请求（Connect Packet）到MQTT服务器，服务器将响应确认请求。
2. 发布主题
发布者（Publisher）将消息发布到特定的主题上。在MQTT中，主题是消息的标识符。主题可以是任何有效的UTF-8字符串，并且可以包含多个层次结构（例如，/sensors/temperature）。当发布者发送消息到主题时，服务器将转发该消息给所有订阅该主题的订阅者。
3. 订阅主题
订阅者（Subscriber）可以订阅感兴趣的主题。在MQTT中，订阅者可以订阅整个主题树，或仅订阅特定的主题。当订阅者订阅主题时，服务器将记录其订阅信息，并将其添加到订阅列表中。
4. 接收消息
一旦订阅者订阅了主题，服务器将转发所有发布到该主题的消息给订阅者。当订阅者接收到消息时，它将执行相应的操作，例如更新设备状态或向其他设备发送命令。
5. 断开连接
使用完MQTT协议后，客户端应该断开与MQTT服务器的连接。MQTT客户端将发送断开请求（Disconnect Packet）到MQTT服务器，服务器将响应确认请求并断开连接。
三、MQTT常用术语
- Broker：MQTT的中间件，负责接收和转发消息。
- Client：MQTT的客户端，可以是发布者或订阅者。
- Topic：MQTT的消息主题，用于识别消息的内容和目的地。格式: “myhome/livingroom/temperature”或“Germany/Munich/Octoberfest/people”
- QoS（Quality of Service）：MQTT消息的服务质量，分为三个级别：QoS 0，QoS 1和QoS 2。
- Retain：MQTT消息的保留标志，表示该主题上最新的消息是否需要保留。
- Last Will and Testament（LWT）：MQTT客户端的遗嘱消息，用于在客户端离线时通知其他客户端。
- Clean Session：MQTT客户端连接时的清理会话标志，用于指示中间件是否保留客户端的订阅信息。
四、总结
MQTT协议的优点
- 简单和轻量级：MQTT协议非常简单和轻量级，适合于小型设备和带宽受限的环境。
- 可靠：MQTT协议具有多种消息传递保证机制，例如QoS级别，可确保消息可靠地传递到目标设备。
- 灵活性：MQTT协议具有灵活的主题订阅机制，允许客户端订阅不同级别的主题。
- 可拓展性：MQTT协议支持多个客户端连接到单个服务器，并且可以扩展到支持数百万个设备。
MQTT协议的缺点：
- 安全性：MQTT协议本身没有提供加密和身份验证机制。如果需要安全通信，则需要使用TLS/SSL等其他协议。
- 可靠性受限：MQTT提供了不同的服务质量（QoS）级别，但最高的QoS级别也不能保证消息100%可靠传递。在不稳定的网络环境下，消息可能会丢失或重复传递，需要应用程序自行处理。
- 适用场景受限：MQTT适用于传递简单的消息，但不适用于传递大量的数据或复杂的消息。在需要进行复杂消息处理和转换的场景中，可能需要使用更为复杂的消息传递技术，例如消息队列。
- 性能受限：MQTT是一种轻量级的协议，但在高并发和大规模消息传递的环境中，可能会面临性能瓶颈。此外，在使用较高的QoS级别时，可能会导致更多的网络流量和延迟，从而影响系统的性能。
- 可扩展性受限：MQTT本身不提供扩展性的支持，需要使用其他技术来实现分布式消息传递和扩展性。
MQTT其他协议对比：
与其他通信协议相比，MQTT具有一定的优势：
- 与HTTP对比：HTTP是一种请求/响应模型的通信协议，适用于网页浏览等场景。相较于HTTP，MQTT协议更轻量级，适用于低带宽、不稳定网络环境。同时，MQTT基于发布/订阅模式，支持实时数据推送，而HTTP需要轮询获取数据，实时性较差。
- 与WebSocket对比：WebSocket是一种双向通信协议，适用于实时Web应用。与WebSocket相比，MQTT协议在低带宽和低功耗场景下具有更高的性能优势。此外，MQTT协议内置消息队列和QoS（Quality of Service，服务质量）机制，可确保消息可靠传输。
- 与CoAP对比：CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）是另一种物联网通信协议，主要针对资源受限的设备。相较于CoAP，MQTT协议在低带宽环境下具有更好的性能。然而，CoAP协议基于UDP，具有较低的传输延迟。二者之间的选择取决于具体应用场景和需求。
参考链接：
www.hivemq.com/mqtt-essent…
