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协议 MQTT

article 2024/10/21 18:47:30

什么是 MQTT 协议？

MQTT 的特点

MQTT 的工作原理

MQTT 关键组件

MQTT 的应用场景

如何使用 MQTT？

小结

什么是 MQTT 协议？

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种基于轻量级发布/订阅模式的消息传输协议，特别适用于对网络带宽和设备资源有严格限制的场景。MQTT 设计的初衷是为远程设备之间的低带宽、不可靠网络通信提供解决方案，因此在物联网（IoT）领域广泛应用。

MQTT 的特点

轻量级：MQTT 消息头部非常小，适合低带宽和高延迟的网络环境。
发布/订阅模型：设备通过主题（Topic）发送和接收消息，而无需直接连接彼此。这种解耦的设计非常灵活，适合大量设备同时通信。
质量服务等级（QoS）：MQTT 提供三种消息传递质量服务等级，保证消息的传递可靠性：
- QoS 0：消息最多传递一次，接收端不做确认，无法保证消息一定送达。
- QoS 1：消息至少传递一次，接收端会确认接收。
- QoS 2：消息仅传递一次，确保消息不会重复。
长连接：MQTT 使用 TCP 作为传输协议，支持长连接，减少了重复连接的开销，非常适合物联网设备的长时间通信需求。
保留消息和遗嘱消息：保留消息用于新订阅者获取最新信息，而遗嘱消息确保客户端意外断开时通知订阅者。

MQTT 的工作原理

MQTT 的核心架构是基于客户端和**服务器（Broker）**的模式。客户端通过 TCP/IP 网络连接到 Broker，进行消息的发布和订阅。以下是 MQTT 工作流程的简要描述：

客户端连接到 Broker：客户端通过发送 CONNECT 报文与 Broker 建立连接，Broker 负责管理所有客户端的连接和消息传递。
发布消息：发布者客户端发布一条消息到某个主题（Topic），并指定这条消息的 QoS 等级，消息将传递给 Broker。
订阅消息：订阅者客户端向 Broker 订阅某个主题，当有其他客户端发布到该主题的消息时，Broker 会将消息转发给所有订阅该主题的客户端。
消息传递：根据 QoS 等级，Broker 确保消息可靠性地传递给订阅者。
断开连接：当客户端不再需要通信时，它会通过发送 DISCONNECT 报文与 Broker 断开连接。

MQTT 关键组件

Broker（消息代理）：负责消息的接收、过滤和分发，管理客户端的连接。
客户端：可以是发布者（Publisher）或订阅者（Subscriber），发布者发布消息，订阅者接收消息。
主题（Topic）：每条消息都会关联一个主题，主题是一个层次化的字符串，用于标识消息的类别和范围，订阅者根据主题接收消息。

MQTT 的应用场景

物联网（IoT）：大量传感器和设备需要实时通信，MQTT 以其低带宽需求和高可靠性成为 IoT 系统的首选协议。
智能家居：例如灯光、温控等智能设备之间的消息传递。
车辆跟踪：用于车辆数据的远程传输，支持高延迟网络。
医疗设备：低功耗设备需要稳定的数据传输。

如何使用 MQTT？

安装 MQTT Broker
首先，MQTT 通信需要一个 Broker。比较常见的 MQTT Broker 软件有：

Mosquitto：一个开源的 MQTT Broker，可以通过以下命令安装：
```
sudo apt-get install mosquitto mosquitto-clients
```

连接到 Broker 使用 MQTT 客户端（如 Python 库 paho-mqtt）连接到 MQTT Broker，并发布和订阅消息。

使用 paho-mqtt 库编写客户端

安装 paho-mqtt

pip install paho-mqtt

编写发布者（Publisher）代码：

import paho.mqtt.client as mqtt broker = "test.mosquitto.org" port = 1883 topic = "test/topic" # 创建 MQTT 客户端实例 client = mqtt.Client() # 连接到 Broker client.connect(broker, port) # 发布消息 client.publish(topic, "Hello MQTT!") # 断开连接 client.disconnect()

编写订阅者（Subscriber）代码：

import paho.mqtt.client as mqtt broker = "test.mosquitto.org" port = 1883 topic = "test/topic" # 当收到消息时的回调函数 def on_message(client, userdata, message): print(f"收到消息: {message.payload.decode()}") # 创建 MQTT 客户端实例 client = mqtt.Client() # 设置回调函数 client.on_message = on_message # 连接到 Broker client.connect(broker, port) # 订阅主题 client.subscribe(topic) # 保持连接 client.loop_forever()