MQTT协议详解「概念、特性、版本及作用」

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是ISO标准下基于发布/订阅方式的轻量级消息协议。MQTT通常使用TCP / IP（传输控制协议/Internet协议）作为其传输，但也可以使用其他双向传输。MQTT通常应用于物联网、智能家居等设备和应用程序之间的通信。在嵌入式领域，MQTT已经占据着无法替代的分量，因为大多数的嵌入式设备，都需要这样的协议进行数据交互。

MQTT协议的主要特点

（1）开放消息协议，简单易实现。

（2）发布订阅模式，一对多消息发布。

（3）基于TCP/IP网络连接，提供有序、无损、双向连接。

（4）1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。

（5）消息QoS支持可靠传输保证。

MQTT深层特性

一对多信息发布

首先，他是基于订阅与发布的一种协议，所以他可以一对多地进行消息发布，这样的功能应用场景非常多，局限性广播能够让服务器灵活控制想要控制的那个设备，并且服务器可以提供多个可以订阅的主题，这是极为关键的。

因为对于服务器而言，接收数据并处理是核心任务，但是当设备的增多、设备功能行的增多，服务器处理逻辑将会几何倍数增长。同样是接收的数据，也许是完全不同类设备上传的完全不一样的信息，所以当可以提供多个订阅主题与发布主题时，这种逻辑上的差异性就能被区分开，给开发者带来了很大的便利。

不同底层协议

MQTT的第二个特性其实就是他基于了TCP/IP而生，注定它是靠上层的一个协议，现在接触的其实大多都是基于TCP协议而开发的，但它其实是有基于UDP版本的，名为MQTT-SN，但大家都知道，TCP面向连接，而UDP不面向连接，所以基于不同的底层协议类型，MQTT展现的特性肯定也是不同的。

消息可靠性

对于常用的MQTT协议，它有一个很重要的保证消息可靠性的特性——QoS（服务质量），QoS可分为三个等级：QoS 0、QoS 1、QoS 2。

QoS 0其实相当于MQTT没有做额外信息保护，因为本身是基于TCP协议的，所以其消息可靠性完全依赖于TCP协议。而QoS 1，则是代表至少承诺会有一次发送给接收者，这是在MQTT层进行的信息保护，而不只是依靠TCP协议层。最后QoS 2，则是保证消息仅仅传送到目的地一次。

因为对于QoS 1，可能会因为消息没有反馈而多次发送，而接收方也可能收到多次消息，为此，QoS 2传输的消息带有唯一的ID，带有唯一消息ID的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者QoS级别2在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。

MQTT两个主要版本

MQTT有v3 和 v5两个主要版本。这两个版本原理基本相同，但它们之间存在一些关键的差异，下面将从以下几个方面来介绍它们之间的区别。

主题别名

主题是MQTT中的核心概念，它用于标识消息的内容和意图。在MQTT v3中，主题只是一个简单的字符串，其结构是由一系列以斜杠分隔的单词组成的。例如，一个 MQTT v3主题可以是 sensors/temperature/room1，其中sensors是顶级主题，temperature是其子主题，room1是子主题下的一个特定设备。

然而，在 MQTT v5中，主题的结构得到了扩展，新增了一些更高级的功能。具体来说，MQTT v5引入了一个名为主题别名的新概念，它允许客户端将主题字符串映射到预定义的主题ID，从而减少网络流量和消息大小。这使得客户端能够在发送消息时只发送主题ID，而不必每次都发送完整的主题字符串。这对于IoT设备和网络带宽有限的环境来说非常有用。

订阅操作

MQTT v5引入了一种名为共享订阅的新订阅类型。如下图所示，共享订阅允许多个客户端共享一个订阅，并按照一定规则进行分配。这种订阅类型对于订阅高负载主题非常有用，因为它可以平衡订阅请求，减轻单个客户端的负载压力。