隨著 5G 時代的來臨，萬物物聯的偉大構想正在成為現實。聯網的物聯網設備在 2018 年已經達到了 70 億[1]，在未來兩年，僅智能水電氣表就將超過10億[2]。
海量的設備接入和設備管理對網絡帶寬、通信協議以及平臺服務架構都帶來了很大挑戰。對于物聯網協議來說，必須針對性地解決物聯網設備通信的幾個關鍵問題：其網絡環境復雜而不可靠、其內存和閃存容量小、其處理器能力有限。
MQTT 是基于 Publish/Subscribe 模式的物聯網通信協議，憑借簡單易實現、支持 QoS、報文小等特點，占據了物聯網協議的半壁江山：
MQTT 的誕生
MQTT was created by Andy Stanford-Clark of IBM, and Arlen Nipper (then of Arcom Systems, later CTO of Eurotech).[3]
據 Arlen Nipper 在一 IBM Podcast 上的自述，MQTT 原名是 MQ TT， 注意 MQ 與 TT之間的空格，其全稱為: MQ Telemetry Transport，是九十年代早期，他在參與 Conoco Phillips 公司的一個原油管道數據采集監控系統(pipeline SCADA system)時，開發的一個實時數據傳輸協議。它的目的在于讓傳感器通過帶寬有限的 VSAT ，與 IBM 的 MQ Integrator 通信。由于 Nipper 是遙感和數據采集監控專業出身，所以按業內慣例給了個 MQ TT 的名字。
MQTT 設計原則
按照 Nipper 的介紹，MQTT 必須簡單容易實現，必須支持 QoS(設備網絡環境復雜)，必須輕量且省帶寬(因為那時候帶寬很貴)，必須數據無關(不關心 Payload 數據格式)，必須有持續地會話感知能力(時刻知道設備是否在線)。下面將介紹 MQTT (3.1.1 版本) 的幾個核心特色，分別對應了這幾個設計原則的實現。
靈活的發布訂閱和主題設計
發布訂閱模式是傳統 Client/Server 模式的一種解耦方案。發布者通過 Broker 與消費者之間通信，Broker 的作用是將受到的消息通過某種過濾規則，正確地發送給消費者。發布/訂閱模式 相對于 客戶端/服務器模式 的好處在于：
- 發布者和消費者之間不必預先知道對方的存在，比如不需要預先溝通對方的 IP Address 和 Port
- 發布者和消費者之間不必同時運行。因為 Broker 是一直運行的。
在 MQTT 協議里，上面提到的 過濾規則 是 Topic。比如：所有發布到 news 這個 Topic 的消息，都會被 Broker 轉發給已經訂閱了 news 的訂閱者:
上圖中訂閱者預先訂閱了 news，然后發布者向 Broker 發布了一條消息 "some msg" 并制定發布到 news 主題，Broker 通過 Topic 匹配，決定將這條消息轉發給訂閱者。
MQTT 的 Topic 有層級結構，并且支持通配符 + 和 #:
-
+是匹配單層的通配符。比如news/+可以匹配news/sports，news/+/basketball可匹配到news/sports/basketball。 -
#是一到多層的通配符。比如news/#可以匹配news、news/sports、news/sports/basketball以及news/sports/basketball/x等等。
MQTT 的主題是不要預先創建的，發布者發送消息到某個主題、或者訂閱者訂閱某個主題的時候，Broker 就自動創建了這個主題。
帶寬消耗最小化
MQTT 協議將協議本身占用的額外消耗最小化，消息頭部最小只需要占用 2 個字節。
MQTT 的消息格式分三部分：
| 固定長度頭部，2 個字節，所有消息類型里都有 |
|---|
| 可變長度頭部，只有某些消息類型里有 |
| Payload，只有某些消息類型里有 |
MQTT 的主要消息類型有：
- CONNECT / CONNACK
- PUBLISH / PUBACK
- SUBSCRIBE / SUBACK
- UNSUBSCRIBE / UNSUBACK
- PINGREQ / PINGRESP
- DISCONNECT.
其中 PINGREQ / PINGRESP 和 DISCONNECT 報文是不需要可變頭部的，也沒有 Payload，也就是說它們的報文大小僅僅消耗 2 個字節。
在 CONNECT 報文的可變長度頭部里，有個 Protocol Version 的字段。為了節省空間，只有一個字節。所以版本號不是按照字符串 "3.1.1" 存放的，而是使用數字 4 來表示 3.1.1 版本。
三個可選的 QoS 等級
為適應設備不同的網絡環境，MQTT 設計了 3 個 QoS 等級，0, 1, 2:
- At most once (0)
- At least once (1)
- Exactly once (2).
QoS 0 是一種 "fire and forget" 的消息發送模式：Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 發送一條消息之后，就不再關心它有沒有發送到對方，也不設置任何重發機制。
QoS 1 包含了簡單的重發機制，Sender 發送消息之后等待接收者的 ACK，如果沒收到 ACK 則重新發送消息。這種模式能保證消息至少能到達一次，但無法保證消息重復。
QoS 2 設計了略微復雜的重發和重復消息發現機制，保證消息到達對方并且嚴格值到達一次。
會話保持
MQTT 沒有假設設備或 Broker 使用了 TCP 的?；顧C制[3]，而是設計了協議層的保活機制：在 CONNECT 報文里可設置 Keepalive 字段，來設置保活心跳包 PINGREQ/PINGRESP 的發送時間間隔。當長時間無法收到設備的 PINGREQ 的時候，Broker 就會認為設備已經下線。
總的來說，Keepalive 有兩個作用：
- 發現對端死亡或者網絡中斷
- 在長時間無消息交互的情況下，保持連接不被網絡設備斷開
對于那些想要在重新上線后，重新收到離線期間錯過的消息的設備，MQTT 設計了持久化連接：在 CONNECT 報文里可設置 CleanSession 字段為 False，則 Broker 會為終端存儲：
- 設備所有的訂閱
- 還未被設備確認的 QoS1 和 QoS 消息
- 設備離線時錯過的消息
在線狀態感知
MQTT 設計了遺愿(Last Will) 消息，讓 Broker 在發現設備異常下線的情況下，幫助設備發布一條遺愿消息到指定的主題。
實際上在某些 MQTT Broker 的實現里 (比如 EMQX)，設備上線或下線的時候 Broker 會通過某些系統主題發布設備狀態更新，更符合實際應用場景。
開源 MQTT Broker 如何選擇
到目前為止，比較流行的 MQTT Broker 有幾個：
-
Eclipse Mosquitto: https://github.com/eclipse/mosquitto
使用 C 語言實現的 MQTT Broker。Eclipse 組織還還包含了大量的 MQTT 客戶端項目：https://www.eclipse.org/paho/#
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EMQX: https://github.com/emqx/emqx
使用 Erlang 語言開發的 MQTT Broker，支持許多其他 IoT 協議比如 CoAP、LwM2M 等
-
Mosca: https://github.com/mcollina/mosca
使用 Node.JS 開發的 MQTT Broker，簡單易用。
-
VerneMQ: https://github.com/vernemq/vernemq
同樣使用 Erlang 開發的 MQTT Broker
從支持 MQTT5.0、穩定性、擴展性、集群能力等方面考慮，EMQX 的表現應該是最好的：
- 使用 Erlang OTP 開發，容錯能力好 (電信領域久經考驗的語言，曾經做出過 99.9999999% 可用性的交換機設備[4])
- 官方有大量的擴展插件可供擴展。有很多認證插件，數據存儲(backend)插件可供選擇。可支持各種關系型數據庫，NoSQL 數據庫，以及常見消息隊列如 Kafka，RabbitMQ，Pulsar 等
- 支持集群，支持節點水平擴展
- 單節點支持 2000K 并發連接
- 支持規則引擎和編解碼
作者：EMQ
鏈接：http://www.lxweimin.com/p/32f81eb15d29
