为啥IoT（物联网）选择了MQTT协议？

物联网设备要实现互相通信，须一套标准通信协议，MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）专为物联网设备设计的一套标准消息队列通信协议。使用MQTT协议的IoT设备，可以连接到任何支持MQTT协议的消息队列上，进行通信。

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• 宏观，MQTT和其他MQ传输协议差不多。也是“发布-订阅”消息模型
  
• 网络结构，也是C/S架构，IoT设备是客户端，Broker是服务端，客户端与Broker通信进行收发消息
  

但毕竟使用场景不同，所以，MQTT和普通MQ比，还有很多区别。

1 客户端都运行在IoT设备

1.1 IoT设备特点

① 便宜

最大特点，一个水杯才几十块钱，它上面智能模块成本十块钱最多，再贵就卖不出去。十块钱的智能设备内存都是按KB计算，可能都没有CPU，也不一定有os，整个设备就一个SoC（System on a Chip）。这样的设备就需要通信协议不能复杂，功能不能太多。

② 无线连接

IoT设备一般采用无线连接，很多设备经常移动，导致IoT设备网络连接不稳定，且是常态。

MQTT协议设计上充分考虑这些特点。协议的报文设计极简，惜字如金。协议功能也非常简单，基本就只有：

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• 发布订阅主题
  
• 收发消息
  

这两个最核心功能。为应对网络连接不稳定问题，MQTT增加机制：

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• 心跳机制，可让客户端和服务端双方都能随时掌握当前连接状态，一旦发现连接中断，可尽快重连
  
• 会话机制，在服务端来保存会话状态，客户端重连后就可恢复之前会话，继续收发消息。这样，把复杂度转移到服务端，客户端实现更简单
  

2 服务端高要求

MQTT面临的使用场景中，服务端需支撑海量IoT设备同时在线。

普通的消息队列集群，服务的客户端都运行在性能强大的服务器，所以客户端数量不会特别多。如京东的JMQ集群，日常在线客户端数量大概十万左右，就足够支撑全国人民在京东买买买。

而MQTT使用场景中，需支撑的客户端数量，远不止几万几十万。如北京交通委若要把全市车辆都接入进来，就是个几百万客户端的规模。路侧的摄像头，每家每户的电视、冰箱，每个人随身携带的各种穿戴设备，这些设备规模都是百万、千万级甚至上亿级。

3 不支持点对点通信

MQTT协议的设计目标是支持发布-订阅（Publish-Subscribe）模型，而不是点对点通信。

MQTT的主要特点之一是支持发布者（Publisher）将消息发布到一个主题（Topic），而订阅者（Subscriber）则可以通过订阅相关主题来接收这些消息。这种模型在大规模的分布式系统中具有很好的可扩展性和灵活性。因此，MQTT更适合用于多对多、多对一的通信场景，例如物联网（IoT）应用、消息中间件等。

虽然MQTT的设计目标不是点对点通信，但在实际使用中，你仍然可以通过一些设计来模拟点对点通信。例如，使用不同的主题来模拟点对点通信，或者在应用层进行一些额外的协议和逻辑以实现点对点通信的效果。

一般做法都是，每个客户端都创建一个以自己ID为名字的主题，然后客户端来订阅自己的专属主题，用于接收专门发给这个客户端的消息。即MQTT集群中，主题数量和客户端数量基本是同一量级。

4 MQTT产品选型

如何支持海量在线IoT设备和海量主题，是每个支持MQTT协议的MQ面临最大挑战。也是做MQTT服务端技术选型时，需重点考察技术点。

开源MQTT产品

有些是传统MQ，通过官方或非官方扩展，实现MQTT协议支持。也有一些专门的MQTT Server产品，这些MQTT Server在协议支持层面，大多没问题，性能和稳定性方面也都满足要求。但还没发现能很好支撑海量客户端和主题的开源产品。why？

传统MQ

虽可通过扩展来支持MQTT协议，但整体架构设计之初，并未考虑支撑海量客户端和主题。如RocketMQ元数据保存在NameServer的内存，Kafka是保存在zk，这些存储都不擅长保存大量数据，所以也支撑不了过多客户端和主题。

另外一些开源MQTT Server

很多就没集群功能或集群功能不完善。集群功能做的好的产品，大多都把集群功能放到企业版卖。

所以做MQTT Server技术选型，若你接入IoT设备数量在10w内，可选择开源产品，选型原则和选择普通消息队列一样，优先选择一个流行、熟悉的开源产品即可。

若客户端规模超过10w量级，需支撑这么大规模客户端数量，服务端只有单节点肯定不够，须用集群，并且这集群要支持水平扩容。这时就几乎没开源产品了，此时只能建议选择一些云平台厂商提供的MQTT云服务，价格相对较低，也可选择价格更高商业版MQTT Server。

另外一个选择就是，基于已有开源MQTT Server，通过一些集成和开发，自行构建MQTT集群。

5 构建一个支持海量客户端的MQTT集群

MQTT集群如何支持海量在线的IoT设备？
一般来说，一个MQTT集群它的架构应该是这样的：

从左向右看，首先接入的地址最好是一个域名，这样域名后面可配置多个IP地址做负载均衡，当然这域名不是必需。也可直接连负载均衡器。负载均衡可选F5这种专用的负载均衡硬件，也可Nginx这样软件，只要是四层或支持MQTT协议的七层负载均衡设备，都可。

负载均衡器后面要部署一个Proxy集群

Proxy集群作用

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• 承接海量IoT设备连接
  
• 维护与客户端的会话
  
• 作为代理，在客户端和Broker之间进行消息转发
  

在Proxy集群后是Broker集群，负责保存和收发消息。

有的MQTT Server集群架构：

架构中没Proxy。实际上，只是把Proxy和Broker功能集成到一个进程，这两种架构本质没有太大区别。可认为就是同一种架构来分析。

前置Proxy，易解决海量连接问题，由于Proxy可水平扩展，只要用足够多的Proxy节点，就可抗海量客户端同时连接。每个Proxy和每个Broker只用一个连接通信即可，这对每个Broker来说，其连接数量最多不会超过Proxy节点的数量。

Proxy对于会话的处理，可借鉴Tomcat处理会话的两种方式：

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• 将会话保存在Proxy本地，每个Proxy节点都只维护连接到自己的这些客户端的会话。但这要配合负载均衡来使用，负载均衡设备需支持sticky session，保证将相同会话的连接总是转发到同一Proxy节点
  
• 将会话保存在一个外置存储集群，如Redis集群或MySQL集群。这样Proxy就可设计成完全无状态，对负载均衡设备也没特殊要求。但这要求外置存储集群具备存储千万级数据能力，同时具有很好性能
  

如何支持海量主题？

较可行的解决方案，在Proxy集群的后端，部署多组Broker小集群，如可以是多组Kafka小集群，每个小集群只负责存储一部分主题。这样对每个Broker小集群，主题数量就可控制在可接受范围内。由于消息是通过Proxy进行转发，可在Proxy中采用一些像一致性哈希等分片算法，根据主题名称找到对应Broker小集群。这就解决支持海量主题的问题。

UML

Proxy的UML图：

@startuml
package "MQTT Proxy Cluster" {
class MQTTProxy {
+handleIncomingMessage()
+handleOutgoingMessage()
+produceMessage()
+consumeMessage()
}

class Client {
+sendMessage()
+receiveMessage()
}

class Broker {
+publish()
+subscribe()
}

Client --> MQTTProxy
MQTTProxy --> Broker
}
@enduml

@startuml
actor Client
entity MQTTProxy
entity Broker

Client -> MQTTProxy : sendMessage()
activate MQTTProxy
MQTTProxy -> Broker : produceMessage()
deactivate MQTTProxy
@enduml

@startuml
entity MQTTProxy
entity Broker
actor Client

Broker -> MQTTProxy : publishMessage()
activate MQTTProxy
MQTTProxy -> Client : consumeMessage()
deactivate MQTTProxy
@enduml

Proxy收发消息的时序图：

Proxy生产消息流程的时序图：

Proxy消费消息流程的时序图：

6 总结

MQTT是专门为物联网设备设计的一套标准的通信协议。这套协议在消息模型和功能上与普通的消息队列协议是差不多的，最大的区别在于应用场景不同。在物联网应用场景中，IoT设备性能差，网络连接不稳定。服务端面临的挑战主要是，需要支撑海量的客户端和主题。

已有的开源的MQTT产品，对于协议的支持都不错，在客户端数量小于十万级别的情况下，可以选择。对于海量客户端的场景，服务端必须使用集群来支撑，可以选择收费的云服务和企业版产品。也可以选择自行来构建MQTT集群。

自行构建集群，最关键技术点，就是通过前置Proxy集群解决海量连接、会话管理和海量主题：

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• 前置Proxy负责在Broker和客户端之间转发消息，通过这种方式，将海量客户端连接收敛为少量的Proxy与Broker之间的连接，解决了海量客户端连接数的问题
  
• 维护会话的实现原理，和Tomcat维护HTTP会话一样
  
• 海量主题，可在后端部署多组Broker小集群，每个小集群分担一部分主题这样的方式来解决
  

参考：

• 
  
• ChatGPT
  
• MQTT协议：如何支持海量的在线IoT设备?
  
• EMQX MQTT 教程
  
• 百度开源 MQTT 服务端（支持集群）bifromq.io/zh-Hans/