【51CTO.com快译】于1999年面市的MQTT，最初被用于油气管道与远程卫星之间的通信。目前它作为一种工具，被广泛地用在各种规模的部署中，以连接多种类型的物联网(IoT)设备。由于是基于TCP/IP的网络协议，因此MQTT采用的是发布方-订阅方(publisher-subscriber)的通信模型。它的轻量级特性足以让其运行在IoT设备上，而其强大的功能又确保了它能够在不稳定的网络条件下工作。
MQTT的工作原理
MQTT协议是由如下元素构成：
- 发布方(Publisher)：设备通过主题将消息发送给订阅方。
- 主题(Topic)：每个资源都有一个唯一的标识符。发布方将消息发送至主题，然后将其传递给订阅方。
- 订阅方(Subscriber)：作为终端设备，订阅方通过主题从发布方处接收消息。
- 代理(Broker)：服务器作为中央枢纽，负责发布方和订阅方之间的组织级通信。
下图展示了简单的MQTT通信逻辑。
如果某个云平台不适合使用MQTT的通信方式来开发系统，则可以改用hbmqtt、gmqtt和paho-mqtt lib。
服务质量级别(QoS)是MQTT协议的关键功能，作为消息发送方和接收方之间的约定，它定义了系统传递特定消息的能力。
客户端可以选择与其所处网络的可靠性，以及应用程序的逻辑，相匹配的服务级别。由于MQTT能够通过重新传输的机制，来管理并保证消息的传递(即使是底层的传输并不可靠)，因此QoS可以让不可靠网络中的通信更加安全。
为何在物联网的开发中要用到MQTT?
凭借其“节能(energy-efficient)”的数据传输方式，MQTT往往被用在CPU和内存(RAM)功率有限的低功耗设备上，以及如下场景用例中：
- 高效的通信。MQTT的低数据量和低能耗特性，使其成为实时的、基于文本的消息传递应用的首选。
- 安全性。在家庭安防系统中，MQTT系统的QoS机制可以确保重要消息的成功传递，进而确保危险警告能够发送给居民。
- 消息汇总。MQTT使得组织能够有效地，从诸如智能手机或汽车传感器等多个来源收集数据。
- 同步传感器。例如，多个火灾报警探测器可以相互通信，以辨别危险是否真的存在。
- 医疗物联网应用。通过多个传感器去监控出院患者的健康参数。
- 车联网。与HTTP不同，MQTT能够在客户端和代理之间保持持久性的会话。该特性对于车联网特别实用。例如，当车辆离开了蜂窝网络的盲区，会话能够重新连接，继续平稳地收发数据，而无需进行复杂的HTTP握手。
MQTT的优势
- 效率是MQTT的一大亮点，它通过诸如AMQP的竞争协议，让数据的传输更加顺畅。用户可以快速、轻松地实现轻量级的MQTT协议架构。
- 发送的数据包越少，网络的使用率就越低。
- 其低功耗特性非常适合连接物联网设备。
- MQTT可以实现更有效的数据分发。
- 该协议可以更轻松地实现遥感(remote sensing)和控制。
MQTT的劣势
当然，MQTT并非在所有场景中都是理想选择。MQTT协议在客观上存在着如下劣势：
- 对于拥有250个以上设备的系统而言，快速传输周期是至关重要的。不过它与CoAP(Constrained Application Protocol)相比，会在传输周期上慢一些。
- MQTT可以运行在灵活的主题订阅系统上。而CoAP使用的是稳定的资源发现系统。
- MQTT虽然用到了TLS/SSL，可是它缺乏安全加密能力。
- 与其他竞品相比，MQTT协议难以创建全局性的可扩展网络。
MQTT v5.0的功能概述
通过各种新功能，MQTT v5.0可以实现如下目标：
- 提高大型系统的性能。MQTT v5.0以一种适当的架构，简化并协调上万台设备之间的通信。
- 错误报告。MQTT v5.0协议将返回码重命名为原因码(reason code)，以指示更多类型的错误。
- 实现常规交互。MQTT v5.0规范化了设备间交互的重复方式，并定义了它们如何响应请求的能力。
- 增加了可扩展的机制。MQTT v5.0新的功能包括：添加自定义的属性，指定内容的类型或负载的格式。
- 更好的支持。特别是对于希望通过MQTT来提高生产率的小型用户而言，能够从中受益。
MQTT v5.0与MQTT 3.1.1的基本功能
1.通信功能
- 可以通过负载内部的身份验证方法，以及身份验证类数据的属性，来实现增强的身份验证。
- 可以使用“会话过期间隔”属性。例如，可以在主题内包括订阅的时间，消息会被存储的时限等。
- 可以内置化地限制客户端和服务器端的最大数据包的体积(待传输的字节数)和最大接收量(客户端或服务器同时发送消息的数量)。
- 通过“待延迟的间隔”属性，实现对消息的延迟发送。
- “服务器参考”或“服务器重定向”属性，可以协助将数据包传输到不同的代理或服务器处。
2.发布功能
- 消息到期间隔，可用于设置消息的保留期限。
- 负载格式标识符和内容类型属性，可被定义为二进制字节、UTF-8或MIME类型。
- 支持主题别名。例如，通过将topic/v1/device/赋予别名“1”，可以最大程度地减少所需的数据包的数量。
- MQTT协议的“响应主题”，类似HTTP协议的响应请求方案(response-request scheme)。
3.订阅功能
- 非本地发布，可以让用户选择不接收客户端发布的消息。
- 留存消息控制可以控制消息的排序。
- 订阅标识符，可用于在订阅中识别服务器。
- 共享订阅，可通过其他标志和过滤功能，来实现更灵活的订阅。
4.一般特征
- 在MQTT v3.1.1中，服务器无法提供有关在建立通信、发布消息、以及订阅主题等不同阶段的问题与错误原因。但是，v5.0可以提供所有ACK消息的原因码。
- 与MQTT 3.1不同，在MQTT v5.0中，客户端和服务器端可以彼此传递有关掉线信息的数据包。
- 不同的用户属性可以被存储在各种键值中。
MQTT v5.0在小型系统部署中的示例
下面让我们来看一个带有基于Python的客户端利用MQTT v5.0本地网络的示例。在客观总结其优缺点的同时，我们还会将其与MQTT v3.1.1的网络进行比较。
场景简述
假设有一栋实现了局域网(LAN)覆盖的建筑物。其中某些房间被安装了三种设备--独立的运动传感器、照相传感器和音频传感器。其主机设备位于LAN之中，并通过无线或网线的方式连接到路由器上。它能够定期从独立的设备上收集或处理数据，并且将这些数据存储在本地数据库中。目前，我们使用SQLLite数据库或更简单的替代方法，仅在收到三种传感器的消息后，才会被激活工作。
目标
保证主机设备与独立设备之间的通信，并在主机端提供本地数据库的部署和通信。
应用要求
- 从传感器到主机设备的所有消息，都必须遵从MQTT v5.0附加属性的限制(包括：传输给主题消息的字节数限制等)。
- 来自主题的消息必须是MIME类型，以便于在主机端进行快速编码。
- 消息必须存储在本地数据库的实例中。
设备要求
- 独立设备：带有已连接的传感器，而且能够访问本地网络的x86或基于ARM的设备(如，Raspberry Pi)。
- 主机设备：具有MQTT代理、且能够处理来自独立设备消息的基于x86或基于ARM的设备。
支持MQTT v5.0和Python的代理
虽然paho-mqtt是两种常见的代理。但是，由于它们并无内置的MQTT v5.0代理，因此无法实现网络的本地部署。对此，我们采用支持MQTT v5.0的Mosquitto作为代理。其配套的文档链接为--https://mosquitto.org/。它能够代理大约200到300个设备，且一次性仅支持一个连接。
基于Python的系统如何与MQTT v5.0一起使用
在Python开发人员看来，MQTT v5.0协议里的库和文档并不多。其唯一的Python 客户端便是上面提到的gmqtt和paho-mqtt。
MQTT v5.0本地网络的优缺点
优点
- 无需诸如GCP(Google Cloud Platform)或AWS之类的云服务提供商，也不需要用于本地IoT系统的WAN连接，便可实现LAN内自主设备的全面交互。
- 网络延迟和数据传输速度。传输速度仅取决于本地设备的硬件功能。在LAN环境中，通过放置设备可以最大程度地减少延迟。
- 与竞品相比，MQTT的能效更高。
- 网络安全性高。由于本地网络不会暴露到WAN中，因此带有消息的数据包不会被本地网络之外实体捕获或跟踪到。同时，MQTT v5.0协议提供了服务器与客户端之间的相互身份验证。此外，MQTT还可以使用TLS证书的安全连接和数据传输。
- 可以将数据包的各种限制，作用于网络内的代理上。
- 其容器化特征更易于模拟和调试。
缺点
- 用于处理消息的线程应当实现并行管理，以确保设备的正常运行。
- 开发人员必须定期进行调试和排障，并且必须使用安全的SSH，来保护主机和独立设备之间的WAN连接。
- MQTT协议不支持流式传输。
- 由于无法实现大型的文件传输，因此需要专用的bucket上传或HTTP协议。
- 代理无法智能地管理数据。当然，在断开连接期间，数据可以被存储一段时间。
MQTT v5.0较v3.1.1的改进之处
- 存储附加数据的属性
- 载荷格式的指示符类型包括：字节、UTF-8或UTF-8字符串对
- 请求/响应模式
- 客户端连接和断开的原因码
- 会话到期与控制
MQTT v5.0可以简化数据负载的处理和解析，具有对消息、连接和会话进行单独且精确控制的能力。而且，它能够通过属性来传输附加数据，开发者可以据此创建更为复杂的IoT解决方案。
MQTT v5.0的挑战
- 在生产环境中，开发者需要管理那些用于在独立设备上，并行发布和侦听消息的进程与线程。
- 在paho-mqtt之类的代码包中，各种类的实现过程并不清晰，而且可参考的文档十分有限。
- 由于文档匮乏，因此开发者很难安装代理，并将其升级到MQTT v5.0。
- 为了识别网络中的设备，我们需要将IP发现器添加到系统中。
到底是否该选用MQTT v5.0?
总的说来，如果您拥有在设备与主机之间进行消息通信的托管式代理设备，而且物联网的规模不大，那么将MQTT v5.0用于本地IoT设备间的通信则为首选。
原文MQTT 5 vs. MQTT v3.1.1 for IoT App Development，作者：Daniil Liadov
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