MQTT服务器开发：实现高效的物联网通信 (mqtt 服务器开发)

随着物联网技术的快速发展和广泛应用，对于物联网通信的需求也越来越重要。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议是一种轻量级、可靠、灵活的消息协议，它能够在物联网中实现高效的通信。本文将介绍MQTT服务器的开发过程，以及如何利用MQTT协议实现高效的物联网通信。

一、MQTT协议的特点

MQTT协议是一种基于发布/订阅机制的消息协议，它具有以下特点：

1. 轻量级：MQTT协议的设计初衷就是为了在低带宽、不稳定的网络环境中传输数据，因此它采用了轻量级的封装方式，使得它的开销非常小，能够更好的适应物联网的需求；

2. 可靠性高：MQTT协议采用了QoS机制，即消息传输的质量保证，可以根据不同的应用场景选择不同的QoS等级，从而保证消息的可靠性；

3. 灵活性强：MQTT协议不仅能够支持不同的消息格式和内容，还可以支持多种消息传输方式，从而满足不同的业务需求；

4. 易于扩展：MQTT协议采用了发布/订阅机制，使得客户端可以自主选择订阅自己感兴趣的消息主题，在服务端不需要额外的配置和管理，从而使得系统的扩展非常容易；

5. 安全性高：MQTT协议支持用户身份验证、加密传输等多项安全机制，可以为物联网应用提供更高级的安全保障。

二、MQTT服务器的开发过程

MQTT服务器在物联网应用中扮演着核心的角色，它负责消息的接收、存储和转发，提供高效的通信服务。下面我们来看看MQTT服务器的开发过程：

1. 确定开发语言和框架：MQTT服务器可以用多种编程语言和框架进行开发，如Java、Python、Node.js等。根据自己的特点和需求来选择合适的编程语言和框架。

2. 设计数据库：MQTT服务器需要存储订阅信息、客户端信息、消息等数据，因此要设计合适的数据库结构，以便于数据的存储和管理。

3. 开发服务端程序：MQTT服务器的核心是服务端程序，它需要负责接收客户端连接、管理客户端订阅信息和消息、处理请求等。在开发服务端程序的过程中，要考虑到多线程和并发处理、QoS等因素。

4. 实现客户端连接和订阅：MQTT协议支持多种客户端连接方式，如TCP、SSL等。在MQTT服务器的开发过程中，要实现客户端的连接和订阅功能，包括连接接受请求、订阅主题、发布消息等操作。

5. 实现消息存储和转发：MQTT协议支持多种消息传输方式，如内存传输、文件传输、数据库存储等。在MQTT服务器的开发过程中，要实现消息存储和转发功能，以便于客户端可以及时接收到消息。

6. 实现安全验证：MQTT协议提供了多种安全机制，如用户名密码验证、TLS加密传输等。在MQTT服务器的开发过程中，要实现安全验证功能，以保障物联网应用的安全性。

三、利用MQTT协议实现高效的物联网通信

MQTT协议的特点和MQTT服务器的开发过程为物联网通信提供了优秀的支持。下面我们来看看如何利用MQTT协议实现高效的物联网通信：

1. 实现实时监控：利用MQTT协议，可以快速实现物联网设备的实时监控，如温度、湿度、压力等环境参数的实时采集、传输和展示，从而实现对物联网设备的高效管理和运维。

2. 实现智能控制：利用MQTT协议，可以将控制指令快速传输给物联网设备，实现物联网设备的智能控制，如智能家居的远程控制、智能工厂的设备自动化控制等。

3. 实现大数据分析：利用MQTT协议，可以将物联网产生的大数据快速传输到云端，并利用云计算和大数据技术进行大数据分析和挖掘，从而实现更深层次的数据应用和价值创造。

4. 实现智能预测：根据物联网设备产生的数据，可以利用机器学习和技术进行数据分析和预测，从而实现对物联网设备的智能预测和预警，提升设备运行效率和可靠性。

本文介绍了MQTT协议的特点、MQTT服务器的开发过程以及利用MQTT协议实现高效的物联网通信的方法。MQTT协议作为一种轻量级、可靠、灵活的消息协议，已经在物联网应用中得到广泛应用。随着物联网技术的不断发展和创新，MQTT协议仍将发挥越来越重要的作用，为物联网通信提供更高效的支持和保障。

相关问题拓展阅读：

• mqtt协议和http协议区别
• 面试笔记-Socket MQTT Websocket
• 如何在 JMeter 中使用 MQTT 插件

mqtt协议和http协议区别

1、吞吐量不同

根据3G网络的测量结果MQTT的吞吐量比HTTP快93倍。

2、架构不同

MQTT适用于发布、订阅模型；HTTP适用于请求、响应模型告和陪。

3、协议设计不同

MQTT协议的设计是以数据为中心的；HTTP协议的设计是以文档为中心的。

4、复杂性和消息大小不同

MQTT具有袜蠢相当短的规范。只有CONNECT，PUBLISH，SUBSCRIBE，UNSUBSCRIBE和DISCONNECT类型对开发人员很重要。而HTTP规范要长得多。

MQTT具有非常短的消息头，并且最小的包消息大小为2个字节。通过HTTP协议使用文本消息格式允许它组成冗长的标题和消息。它有助于消除麻烦，因为它可以被人类阅读，但同时它对于资源受限的设备是不必要的。

5、标头大小不同

MQTT是2个字棚租节；HTTP适用于80或8080端口。

6、数据安全不同

MQTT通过SSL/TLS提供数据安全；HTTP不提供安全性，但Https就是为此而构建的。

MQTT 和 HTTP 协议的区别。

1.消息队列遥测传输(MQTT)。

它是由 Andy Standford-Clark 和 Arlen Nipper 创建的。它是基于发布/订阅模型的物联网交互协派山议。该模型是一个简单的模型，提供对 QoS(服务质量)的支持。由于它的能力，它圆羡悔可以在每秒基于物联网的设备中找到。该协议具有许多特性，因为它通过 TCP 并使用 SSL/TLS 来确保安全。对于服务器之间的消息传递，它使用 CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE、DISCONNECT 等。

2. 超文本传输协议(HTTP)

万维网 (WWW) 使用它来定义其消息将如何传输和格式化。该协议负责服务器在通过网络发送信息时必须采取的操作。当 URL 被输入浏览器时，该协议向服务器发送 HTTP 请求，然后将 HTTP 响应发送回浏览器。该协议还负责控制万维网上网页的格式和表示。

MQTT的特点:

发布/订阅消息模橘正式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。这一点很类似于1. 这里是列表文本XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP。

对负载内容屏蔽的消息传输。

使用TCP/IP提供网络连接。主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

面试笔记-Socket MQTT Websocket

1.Socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口（API），通过Socket，我们才能使用TCP/IP协议。

2.MQTT协议是应用层协议不依赖长连接，适合弱网络。通过topic缓存信息。符合物联网设备的使用场景。因为通过topic缓存信息，因此可以实现通过topic与多个端的一对多连接，而不是设备与设备的多对多连接，节省了能耗及带宽。

MQTT的心跳，及非信息的报文，较Websocket更少，更节省带宽及能耗。更适用于物理网的多种网络协议。

3.WebSocket和Http一样在应用层,提供使用一个TCP连接进行双向通讯的机制，包括网络协议和API，以取代网页和服务器采用HTTP轮询进行双向通讯的机制。 本质上来说，WebSocket是不限于HTTP协议的，但是由于现存大量的HTTP基础设施，代理，过滤，身份认证等等，WebSocket借用HTTP和HTTPS的端口。由于使用HTTP的端口，因此TCP连接建立后的握手消息是基于HTTP的，由服务器判断这是一个HTTP协议，还是WebSocket协议。 WebSocket连接除了建立和关闭时的握手，数据传输和HTTP没丁点关系了。

Socket 连接,至少需要一对套接字，分为 clientSocket，serverSocket 连接分为3个步骤:

(1) 服务器监听:服务器并不定位具体客户端的套接字，而是时刻处于监听状态；

(2) 客户端请求:客户端的套接字要描述它要连接的服务器的套接字，提供地址和端口号，然后向服务器套接字提出连接请求；

(3) 连接确认:当服务器套接字收到客搭顷饥户端套接字发来的请求后，就响应客知返户端套接字的请求,并建立一个新的线程,把服务器端的套接字的描述发给客户端。一旦客户端确认了此描述，就正式建立连接。而服务器套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求.

Socket为长连接：通常情况下Socket 连接就是 TCP 连接，因此 Socket 连接一旦建立,通讯双方开始互发数据内容，直到双方断开连接。在实际应用中，由于网络节点过多，在传输过程中，会被节点断开连接，因此要通过轮询高速网络，该节点处于活跃状态。

很多情况下，都乎缺是需要服务器端向客户端主动推送数据，保持客户端与服务端的实时同步。

若双方是 Socket 连接，可以由服务器直接向客户端发送数据。

若双方是 HTTP 连接，则服务器需要等客户端发送请求后，才能将数据回传给客户端。

因此，客户端定时向服务器端发送请求，不仅可以保持在线，同时也询问服务器是否有新数据，如果有就将数据传给客户端。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议，设计思想是开放、简单、轻量、易于实现。这些特点使它适用于受限环境。

例如：

①网络代价昂贵，带宽低、不可靠。

②在嵌入设备中运行，处理器和内存资源有限。

该协议的特点有：

①使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。 ②对负载内容屏蔽的消息传输。

③使用 TCP/IP 提供网络连接。

④有三种消息发布服务质量：

⑤”至多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。

⑥”至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

⑦”只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

⑧小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量。

⑨使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

有三种消息发布服务质量：

“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。qos=0

“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。qos=1

“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种更高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。qos=2

Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；

payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。MQTT数据包结构如下：

固定头（Fixed header）。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。

可变头（Variable header）。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。

消息体（Payload）。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

WebSocket则提供使用一个TCP连接进行双向通讯的机制，包括网络协议和API，以取代网页和服务器采用HTTP轮询进行双向通讯的机制。 本质上来说，WebSocket是不限于HTTP协议的，但是由于现存大量的HTTP基础设施，代理，过滤，身份认证等等，WebSocket借用HTTP和HTTPS的端口。由于使用HTTP的端口，因此TCP连接建立后的握手消息是基于HTTP的，由服务器判断这是一个HTTP协议，还是WebSocket协议。 WebSocket连接除了建立和关闭时的握手，数据传输和HTTP没丁点关系了。 由此可知两者的应用场景不一样： MQTT是为了物联网场景设计的基于TCP的Pub/Sub协议，有许多为物联网优化的特性，比如适应不同网络的QoS、层级主题、遗言等等。 WebSocket是为了HTML5应用方便与服务器双向通讯而设计的协议，HTTP握手然后转TCP协议，用于取代之前的Server Push、Comet、长轮询等老旧实现。 两者之所有有交集，是因为一个应用场景：如何通过HTML5应用来作为MQTT的客户端，以便接受设备消息或者向设备发送信息，那么MQTT over WebSocket自然成了最合理的途径了。

如何在 JMeter 中使用 MQTT 插件

JMeter 内置 HTTP/HTTPS、TCP 等支持多种协议，还具备插件扩展机制。

MQTT 协议作为物联网界的主流协议，虽然并非 JMeter 自带的协议类型，但在物联网测试场景中极为普遍。为了支持 MQTT 协议的规模测试，EMQ 映云科技开发了基于 JMeter 的 MQTT 协议开源测试插件： 。

经过几个版本的迭代，目前 JMeter MQTT 插件的最新版本为 2.0.2，支持连接、消息发布、消息订阅等多种采样器，并可通过组合构建更复杂的测试场景。

本文我们将具体介绍如何在 JMeter 中使用 MQTT 插件。

MQTT 插件的安装方式与其他 JMeter 第三方插件类似。

连渗盯接采样器模拟物联网设备，发起 MQTT 连接。

Server name or IP:

指向被测 MQTT 服务器地址。

Port number:

以 EMQ X 为例，默认 TCP 连接的端口是 1883, SSL 连接则是 8883。具体的端口请参照服务器的具体配置。

MQTT version

: 目前支持 MQTT 3.1及3.1.1版本。

Timeout:

连接超时设置，以秒为单位。

Protocols:

支持TCP、SSL、WS 和 WSS 方式连接 MQTT 服务器。当选择 SSL 或 WSS 加密通道连接时，可以选择单向或者双向认证(Dual)。如果希望进行双向认证，还需要指定相应的客户端证书(p12证书)，以及对应的文件保护密码(Secret)。

User authentication:

如果 MQTT 服务器配置了用户认证，需要提供相应的用户名(

User name

)和密码(

Password

)。

ClientId:

虚拟用户的标识。如果勾选了「Add random suffix for ClientId」，将会在 ClientId 的基础上给每个虚拟用户再添加一个 uuid 串作为后缀，整个作为虚拟用户标识。

Keep alive(s):

心跳信号发送间隔。例如，300 表示客户端每隔 300 秒向服务器发出 ping 请求，以保持连接活跃。

Connect attempt max:

之一次连接过程中，尝试重连的更大次数。超过该次数则认为连接失败。如果希望一直尝试重连，可以设为 -1。

Reconnect attempt max:

后继连接过程中，尝试重连的更大次数。超过该次数则认为连接失败。如果希望一直尝试重连，可以设为 -1。

Clean session

: 如果希望在连接之间保留会话状态，可以将该选项设为 false。如果不希望在新的连接中保留会话状态，则将该项设为true。

消息发布采样器复用连接采样器中建立的 MQTT 连接，向目标 MQTT 服务器发布消息。

QoS Level:

服务质量，取值为 0，1，2，分铅孙别代表 MQTT 协议规范里的至多一次（AT_MOST_ONCE），至少一次（AT_LEAST_ONCE），精确一次（EXACT_ONCE）

Retained messages

: 如果希望使用「保留消息」，可将该选项设为 true，MQTT 服务器端将会存储插件发布的保留消息及其 QoS，并在相应 topic 上发生订阅时，直接将最后一条保留消息投递给订阅端，使得订阅端不必等待即可获取发布端的最新状态值。

Topic name:

发布消息所丛激和属的主题。

Add timestamp in payload:

如果勾选，发布的消息体开头会附带当前时间戳，配合消息订阅采样器的 Payload includes timestamp 选项，可以在消息接收端计算消息达到的延时。如果不勾选则只发送实际的消息体。

Payloads

Message type:

目前支持三种消息类型

消息发布采样器复用连接采样器中建立的 MQTT 连接，从目标 MQTT 服务器上订阅消息。

QoS Level:

服务质量，含义与消息发布采样器相同。

Topic name(s):

订阅消息所属的主题。支持单个消息订阅采样器订阅多个主题，主题之间用逗号分隔。

Payload includes timestamp:

如果勾选，会从消息体开头处解析发送时间戳，配合消息发布采样器的 Add timestamp in payload 选项，可以用于计算消息的接收延时。如果不勾选则只解析实际的消息体。

Sample on

: 采样方式，默认为”

specified elapsed time(ms)

“，即每隔指定的毫秒时间采样一次。也可以选择”

number of received messages

“，即每接收到指定的消息数采样一次。

Debug response:

如果勾选，消息内容会打印在 JMeter 的响应结果中。该选项主要用于调试目的，正式运行测试不建议勾选，以免影响测试效率。

断开连接采样器中建立的 MQTT 连接。

本文我们介绍了 JMeter MQTT 插件的各测试组件，在下期文章中我们将针对不同的测试场景详细介绍如何用 MQTT 插件来构建测试脚本。

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