开启物联网的魔法之门 - 深入探索发布/订阅模式

MQTT 发布/订阅模式

发布订阅模式（Publish-Subscribe Pattern）是一种消息传递模式，它将发送消息的客户端（发布者）与接收消息的客户端（订阅者）解耦，使得两者不需要建立直接的联系也不需要知道对方的存在。

MQTT 发布/订阅模式的精髓在于由一个被称为代理（Broker）的中间角色负责所有消息的路由和分发工作，发布者将带有主题的消息发送给代理，订阅者则向代理订阅主题来接收感兴趣的消息。

在 MQTT 中，主题和订阅无法被提前注册或创建，所以代理也无法预知某一个主题之后是否会有订阅者，以及会有多少订阅者，所以只能将消息转发给当前的订阅者，如果当前不存在任何订阅，那么消息将被直接丢弃。

MQTT 发布/订阅模式有 4 个主要组成部分：发布者、订阅者、代理和主题。

• 发布者（Publisher）
  负责将消息发布到主题上，发布者一次只能向一个主题发送数据，发布者发布消息时也无需关心订阅者是否在线。
• 订阅者（Subscriber）
  订阅者通过订阅主题接收消息，且可一次订阅多个主题。MQTT 还支持通过共享订阅的方式在多个订阅者之间实现订阅的负载均衡。
• 代理（Broker）
  负责接收发布者的消息，并将消息转发至符合条件的订阅者。另外，代理也需要负责处理客户端发起的连接、断开连接、订阅、取消订阅等请求。
• 主题（Topic）
  主题是 MQTT 进行消息路由的基础，它类似 URL 路径，使用斜杠 / 进行分层，比如 sensor/1/temperature。一个主题可以有多个订阅者，代理会将该主题下的消息转发给所有订阅者；一个主题也可以有多个发布者，代理将按照消息到达的顺序转发。

MQTT 还支持订阅者使用主题通配符一次订阅多个主题。

MQTT 发布/订阅中的消息路由

在 MQTT 发布/订阅模式中，一个客户端既可以是发布者，也可以是订阅者，也可以同时具备这两个身份。 当客户端发布一条消息时，它会被发送到代理，然后代理将消息路由到该主题的所有订阅者。 当客户端订阅一个主题时，它会收到代理转发到该主题的所有消息。

一般来说，大多数发布/订阅系统主要通过以下两种方式过滤并路由消息。

• 根据主题
  订阅者向代理订阅自己感兴趣的主题，发布者发布的所有消息中都会包含自己的主题，代理根据消息的主题判断需要将消息转发给哪些订阅者。

• 根据消息内容
  订阅者定义其感兴趣的消息的条件，只有当消息的属性或内容满足订阅者定义的条件时，消息才会被投递到该订阅者。

MQTT 协议是基于主题进行消息路由的，在这个基础上，EMQX 从 3.1 版本开始通过基于 SQL 的规则引擎提供了额外的按消息内容进行路由的能力。

MQTT 与 HTTP 请求响应

HTTP 是万维网数据通信的基础，其简单易用无客户端依赖，被广泛应用于各个行业。在物联网领域，HTTP 也可以用于连接物联网设备和 Web 服务器，实现设备的远程监控和控制。

虽然使用简单、开发周期短，但是基于请求响应的 HTTP 在物联网领域的应用却有一定的局限性。首先，协议层面 HTTP 报文相较与 MQTT 需要占用更多的网络开销；其次，HTTP 是一种无状态协议，这意味着服务器在处理请求时不会记录客户端的状态，也无法实现从连接异常断开中恢复；最后，请求响应模式需要通过轮询才能获取数据更新，而 MQTT 通过订阅即可获取实时数据更新。

发布订阅模式的松耦合特性，也给 MQTT 带来了一些副作用。由于发布者并不知晓订阅者的状态，因此发布者也无法得知订阅者是否收到了消息，或者是否正确处理了消息。为此，MQTT 5.0 增加了请求响应特性，以实现订阅者收到消息后向某个主题发送应答，发布者收到应答后再进行后续操作。

MQTT 与消息队列

尽管 MQTT 与消息队列的很多行为和特性非常接近，比如都采用发布/订阅模式，但是他们面向的场景却有着显著的不同。消息队列主要用于服务端应用之间的消息存储与转发，这类场景往往数据量大但客户端数量少。MQTT 是一种消息传输协议，主要用于物联网设备之间的消息传递，这类场景的特点是海量的设备接入、管理与消息传输。

在一些实际的应用场景中，MQTT 与消息队列往往会被结合起来使用，以使 MQTT 服务器能专注于处理设备的连接与设备间的消息路由。比如先由 MQTT 服务器接收物联网设备上报的数据，然后再通过消息队列将这些数据转发到不同的业务系统进行处理。

不同于消息队列，MQTT 主题不需要提前创建。MQTT 客户端在订阅或发布时即自动的创建了主题，开发者无需再关心主题的创建，并且也不需要手动删除主题。

Paho Java 使用示例

通过包管理工具 Maven 可以方便地安装 Paho Java 客户端库，截止目前最新版本安装如下：

<dependency>
  <groupId>org.eclipse.paho</groupId>
	<artifactId>org.eclipse.paho.client.mqttv3</artifactId>
	<version>1.2.2</version>
</dependency>

Java 体系中 Paho Java 是比较稳定、广泛应用的 MQTT 客户端库，本示例包含 Java 语言的 Paho Java 连接 EMQX Broker，并进行消息收发完整代码：

public class App {
    public static void main(String[] args) {
        String subTopic = "testtopic/#";
        String pubTopic = "testtopic/1";
        String content = "Hello World";
        int qos = 2;
        String broker = "tcp://broker.emqx.io:1883";
        String clientId = "emqx_test";
        MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();

        try {
            MqttClient client = new MqttClient(broker, clientId, persistence);

            // MQTT 连接选项
            MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
            connOpts.setUserName("emqx_test");
            connOpts.setPassword("emqx_test_password".toCharArray());
            // 保留会话
            connOpts.setCleanSession(true);

            // 设置回调
            client.setCallback(new PushCallback());

            // 建立连接
            System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
            client.connect(connOpts);

            System.out.println("Connected");
            System.out.println("Publishing message: " + content);

            // 订阅
            client.subscribe(subTopic);

            // 消息发布所需参数
            MqttMessage message = new MqttMessage(content.getBytes());
            message.setQos(qos);
            client.publish(pubTopic, message);
            System.out.println("Message published");

            client.disconnect();
            System.out.println("Disconnected");
            client.close();
            System.exit(0);
        } catch (MqttException me) {
            System.out.println("reason " + me.getReasonCode());
            System.out.println("msg " + me.getMessage());
            System.out.println("loc " + me.getLocalizedMessage());
            System.out.println("cause " + me.getCause());
            System.out.println("excep " + me);
            me.printStackTrace();
        }
    }
}

回调消息处理类 OnMessageCallback.java

public class OnMessageCallback implements MqttCallback {
    public void connectionLost(Throwable cause) {
        // 连接丢失后，一般在这里面进行重连
        System.out.println("连接断开，可以做重连");
    }

    public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
        // subscribe后得到的消息会执行到这里面
        System.out.println("接收消息主题:" + topic);
        System.out.println("接收消息Qos:" + message.getQos());
        System.out.println("接收消息内容:" + new String(message.getPayload()));
    }

    public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
        System.out.println("deliveryComplete---------" + token.isComplete());
    }
}

结语

MQTT 的发布/订阅机制可以很轻易地满足我们一对一、一对多、多对一的通信需要。这也在很大程度上拓宽了 MQTT 在 IoT 领域之外的应用，像网络直播互动、手机消息推送等行业场景，都非常适合使用 MQTT。

链接来源：https://www.emqx.com/zh/blog/mqtt-5-introduction-to-publish-subscribe-model