1-MQTT基础知识

MQTT 是一个轻型协议，使用基于 TCP/IP 协议的发布/订阅消息转发模式，专门用于机器对机器 (M2M) 通信。

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

精简，不添加可有可无的功能。
发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递。
允许用户动态创建主题，零运维成本。
把传输量降到最低以提高传输效率。
把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
支持连续的会话控制。
理解客户端计算能力可能很低。
提供服务质量管理。
假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

1. MQTT整体流程

MQTT 协议的中心是 MQTT 服务器或代理 (broker) ，支持发布程序和订阅程序进行访问，如下图所示

graph LR
发布者-->Broker
Broker-->订阅者
订阅者-->Broker

订阅者在连接上Broker之后，订阅想要收到消息的主题(local/test)
发布者通过主题(local/test)，发送想要发送的内容(payload)
Broker收到发布者发送的内容，根据主题转发到已经订阅了该主题的订阅者
订阅者收到主题(local/test)的内容，解析需要的数据

2. MQTT消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型：

CONNECT：客户端连接到MQTT代理
CONNACK：连接确认
PUBLISH：新发布消息
PUBACK：新发布消息确认，是QoS 1给PUBLISH消息的回复
PUBREC：QoS 2消息流的第一部分，表示消息发布已记录
PUBREL：QoS 2消息流的第二部分，表示消息发布已释放
PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分，表示消息发布完成
SUBSCRIBE：客户端订阅某个主题
SUBACK：对于SUBSCRIBE消息的确认
UNSUBSCRIBE：客户端终止订阅的消息
UNSUBACK：对于UNSUBSCRIBE消息的确认
PINGREQ：心跳
PINGRESP：确认心跳
DISCONNECT：客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理
后面我们会给出具体的例子。

3. 主题

MQTT是通过主题对消息进行分类的，本质上就是一个UTF-8的字符串，不过可以通过反斜杠表示多个层级关系。主题并不需要创建，直接使用就是了。

主题还可以通过通配符进行过滤。其中，+可以过滤一个层级，而#只能出现在主题最后表示过滤任意级别的层级。

举个例子：

building-b/floor-5：代表B楼5层的设备。
+/floor-5：代表任何一个楼的5层的设备。
building-b/#：代表B楼所有的设备。
注意，MQTT允许使用通配符订阅主题，但是并不允许使用通配符广播。

4. WILL主题

WILL主题也叫遗嘱消息，是一个特殊的主题。

客户端连接Broker的时候，附带一个will主题和will主题对应的内容。

当客户端与Broker断开连接时，Broker将该WILL主题的内容发送给相关的订阅者的遗嘱消息，这样订阅者就知道该客户端已经离线了。

以下情况下会发送 Will Message：

服务端发生了I/O 错误或者网络失败；
客户端在定义的心跳时期失联；
客户端在发送下线包之前关闭网络连接；
服务端在收到下线包之前关闭网络连接。

注：在客户端正常调用 disconnect 方法之后并不会被发送。

5. 服务质量QOS

为了满足不同的场景，MQTT支持三种不同级别的服务质量（Quality of Service，QoS）为不同场景提供消息可靠性：

QOS=0，最多一次，就发一次，没有重传，会丢失
QOS=1，至少一次，会重传，会出现收到多次消息
QOS=2，只有一次，只会收到一次

级别2所提供的不重不丢很多情况下是最理想的，不过往返多次的确认一定对并发和延迟带来影响。

级别1提供的至少一次语义在日志处理这种场景下是完全OK的，所以像Kafka这类的系统利用这一特点减少确认从而大大提高了并发。

级别0适合鸡肋数据场景，基本就没怎么用了。

6. clean session

客户端在连接的时候可以设置clean session，如果设置成true说明在设备离线后broker不保存，设置成false说明在设备离线后broker保存消息，等上线的时候就发送给他。

7. 心跳

客户端在连接Broker的时候，会指定心跳的时候。连接成功之后，客户端就按照这个心跳时间定时发送心跳数据给Broker，如果Broker在1.5T时间内没有收到客户端的心跳数据，则判定改设备已经离线，发送WILL主题广播告诉别人该设备已离线。

8. SSL加密

MQTT可以使用SSL加密方式传输，设备的认证有单向认证和双向认证两种：

不管单向还是双向，broker端都需要配置cafile、certfile、keyfile
单向的时候，client只需要提供cafile，双向的时候client需要提供cafile、certfile、keyfile
双向的时候，broker需要将require_certificate和use_identity_as_username设置成true

9. 连接账号密码

MQTT除了有SSL加密之外，对于连接也有账号密码的授权，只要账号密码正确的才可以连接成功。

MQTT 协议和mosquitto：https://shaocheng.li/posts/2015/08/11/

物联网网关协议比较MQTT 和 Modbus:
https://software.intel.com/pt-br/node/628992?language=es