科普 | 什么是MQTT，有何价值？

通信是物联网（IoT）应用中不可或缺的一部分，而针对不同的应用场景，通信需求也不尽相同，从中也能捕捉到这些场景对网络环境的特殊要求。

如今，蜂窝网络、无线连接技术（比如Wi-Fi和蓝牙）、有线以太网，以及卫星等通信技术广泛应用于各类IoT设备中，但通信协议则是所有IoT技术栈的关键构成，唯有通过特定的通信协议，IoT设备才能进行数据传输与交换。

为了满足当下IoT应用的多样化需求，市面上开放了包括CoAP、XMPP和DDS在内的多种协议，可供各个应用场景按需选择。其中，消息队列遥测传输(MQTT)及其衍生协议MQTT-SN正广泛应用在日益普遍的低功耗广域(LPWA)网络中。

本文将为大家分享一款轻量级协议——MQTT，为您详细阐述MQTT应用在各类IoT设备上的优势。

作为一种轻量级协议，MQTT拥有简单紧凑的架构和较小的代码占用空间，适用于低成本、低功耗的IoT微控制设备。MQTT可在TCP/IP协议上兼容运行，专攻延迟较高、质量不佳的网络环境。该协议适用于具有以下通信需求的应用：

MQTT在IoT多种应用中都备受青睐，如智能表计、资产追踪工具和工业设备的互联传感器。凭借对有限带宽的高效利用，因此MQTT非常适用于网络成本高、功耗大的应用场景，例如远程传感器阵列就需要在现场自主运行数年且期间无需维修。

MQTT是多个客户端通过一个中央服务器传递信息的多对多协议，能高效地将信息分发给一个或多个订阅者，加之其代码占用空间小，便使得MQTT成为移动应用通信的理想之选。

MQTT基于发布和订阅模型，而非“客户端-服务器”模型，它具有两个功能实体——MQTT服务器和MQTT客户端。IoT网络上的任何“事物”，无论是硬件设备还是软件程序，都可以视为MQTT的客户端。

所有的客户端并非直接向彼此发布或订阅消息，而是向MQTT服务器所管理的“主题”来发布或订阅消息。“主题”可理解为电子邮件的收件箱；客户端向主题发布消息，订阅该主题的其他客户端都将收到该消息。

MQTT服务器负责接收所有已发布的消息，并需要确保将其传输到所有订阅的客户端。消息根据多个商定的QoS级别进行发布（见下文）。服务器还将对网络上的所有IoT设备进行验证，进而管理连接、会话和订阅。

△图1：什么是 MQTT

（来源：MQTT Org）

MQTT-SN是MQTT的优化版本，专为需要提高数据传输效率和功耗效率的大规模无线传感器网络而设计。

MQTT-SN主要通过缩短主题ID的长度来提升数据传输效率。这些经过缩短处理的ID会编程到客户端和服务器中，从而减少信息传递数量。

MQTT-SN中的“链路保持机制”允许设备进入睡眠模式，并在被唤醒时才可检索任何排队消息。

除了服务器和客户端实体，MQTT和MQTT-SN运行还涉及到如下核心概念：

主题是MQTT实现对带宽高效利用的基础，它具有多级结构，如图2所示。MQTT客户端只会订阅其所关注的主题，并且可以使用通配符条目来访问多个主题。

△图2：MQTT 主题（来源：u-blox）

由于设备仅接收已订阅的主题消息，MQTT主题通过IoT网络将更加高效地组织数据流，从而实现大规模应用。

MQTT客户端必须与服务器建立连接才能发布或订阅消息。客户端在发送连接请求时会提供其客户ID、用户名和密码，随后服务器会确认该项请求。而连接请求也可使用如下参数加以限定：

• MQTT会话（Clean Session） - 请求连接并删除订阅队列中已存储的任何消息。

• 链路保持（Keep Alive） - 当服务器或客户端未发送消息时，链路保持功能将优先确保设备连接的最长时间，从而为处于睡眠模式下的其他电池供电设备提供支持。在此期间，客户端接收到的任何消息都会由服务器存储，直到指定时间结束。

• 睡眠（仅限MQTT-SN） - 在设备告知服务器即将进入睡眠模式时，服务器会在设备告知的时间段内将设备订阅的所有消息排入队列。此模式与“链路保持”模式的主要区别在于，服务器会无视QoS级别，将所有消息进行存储，而在“链路保持”模式中则仅存储QoS 1和QoS 2消息。在睡眠模式时，客户端还能在不需要唤醒的情况下刷新其消息队列。

客户端可请求订阅一个或多个主题，该请求支持两种不同的通配符设置，如图3a和3b所示。

MQTT和MQTT-SN两者规定了消息服务质量(QoS)模式，让发布者能够自行定义消息质量。我们针对这些模式进行汇总(见表1)，并分享了如何根据特定应用的限制条件来采用不同的模式。

在MQTT发布与订阅操作中，QoS代表了不同的含义，发布时的QoS表示消息发送到服务端时使用的QoS，订阅时的QoS则表示服务端向自己转发消息时可以使用的最大QoS。

当客户端A的发布QoS大于客户端B的订阅QoS时，服务端向客户端B转发消息时使用的QoS为客户端B的订阅QoS。

当客户端A的发布QoS小于客户端B的订阅QoS时，服务端向客户端B转发消息时使用的QoS为客户端A的发QoS。

现如今，MQTT已广泛应用于包括汽车、能源、制造业及电信等多个关键领域，尤其适用于更窄带宽的网络环境和更低功耗IoT设备。为简化IoT的开发流程，技术人员还可根据自身需求，选择包括服务器端与客户端在内的MQTT测试工具。

要记住“通信不仅仅是建立连接”。以u-blox物联网通信即服务产品组合为例（见图4），u-blox MQTT Anywhere、MQTT Here和 MQTT Now三款产品基于可扩展的高性能MQTT服务器与数据流管理器，彼此相辅相成且互为补充，能有效帮助您缩短产品开发周期，简化物联网设备与企业间的数据通信。

△图4：u-blox物联网通信即服务产品组合

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瑞士u-blox公司(SIX:UBXN)是为汽车、工业和消费品市场提供定位和无线通信技术与服务的领先供应商。其解决方案能准确进行人员、车辆和机器的定位，并通过蜂窝网络和短距离网络实现无线通信。凭借广泛及多样化的芯片、模块和日益扩大的产品支持数据服务生态系统，u-blox公司在帮助其客户针对物联网快速而成本高效地开发创新解决方案方面具有得天独厚的优势。u-blox公司总部设在瑞士塔尔维尔，目前在欧洲、亚洲和美国都设有办事处。www.u-blox.com

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