软件工程（七）：MQTT协议

概念

特性	描述
协议类型	应用层协议（基于 TCP/IP）
通信模式	发布/订阅（Publish/Subscribe）
网络开销小	报文头仅 2 字节起，非常轻量
保持长连接	使用 Keep Alive 机制，适合持续连接的设备
面向物联网	广泛用于智能家居、传感器网络、车联网、工业自动化等

通信模型

三个核心角色：

角色	说明
Client（客户端）	连接到Broker，发布消息或订阅消息
Broker（消息代理）	中心节点，负责接收、过滤、分发消息
Topic（主题）	类似于路径字符串，如 home/temperature，用于消息分类

通信过程：

+---------+        publish(msg)        +--------+         deliver(msg)        +---------+
| ClientA | -------------------------> | Broker | -------------------------> | ClientB |
|         |      topic: /sensor/temp   |        |      topic: /sensor/temp   |         |
+---------+                            +--------+                            +---------+

• ClientA 发布消息到主题 /sensor/temp
• Broker 接收到消息后，将其转发给所有订阅该主题的客户端（如ClientB）

消息结构

MQTT 报文头部非常小，典型的报文格式包括：

+-----------+-------------+----------------+
| FixedHeader | VariableHeader | Payload      |
+-----------+-------------+----------------+

• FixedHeader：消息类型、QoS 等信息，占 2 字节起
• VariableHeader：可选，如 Topic 名称、消息标识符
• Payload：消息实际内容

报文类型（固定14种）

报文类型	描述
CONNECT	客户端请求建立连接
CONNACK	连接确认
PUBLISH	发布消息
PUBACK/PUBREC/…	QoS确认机制相关报文
SUBSCRIBE	订阅主题
SUBACK	订阅确认
UNSUBSCRIBE	取消订阅
PINGREQ/PINGRESP	保活机制
DISCONNECT	客户端断开连接

QoS 服务质量等级（Quality of Service）

等级	含义	说明
0	至多一次（at most once）	不保证送达，可能丢失
1	至少一次（at least once）	保证至少送达一次，可能重复
2	仅一次（exactly once）	保证仅送达一次，最安全但最慢

MQTT 保持连接机制

• 使用 PINGREQ 和 PINGRESP 消息定期心跳检查
• Keep Alive 超时时，Broker 可以主动断开连接

安全机制

机制	说明
用户名密码	Client可在 CONNECT 报文中提供
TLS/SSL	支持基于 TLS 加密的连接
ACL	Access Control List 控制发布/订阅权限

与其他协议比较

协议	优点	缺点
MQTT	轻量、低带宽、实时性好	需要保持长连接
HTTP	易用、成熟、兼容性强	不适合实时推送
CoAP	更轻、更适合资源受限设备	兼容性差、不如MQTT通用
AMQP	企业级功能强	复杂、开销大

常用工具/服务器

名称	类型	说明
Mosquitto	Broker	轻量级、开源、高性能 MQTT Broker
EMQX	Broker	支持百万级连接，功能强大
HiveMQ	商业/企业级	可视化管理、集群支持
MQTT.fx	客户端工具	测试 MQTT 连接、发布、订阅