MQTT 协议详解及 v5.0 实践
简介： MQTT 是基于 TCP/IP 协议栈构建的异步通信消息协议，是一种轻量级的发布、订阅信息传输协议。可在不可靠的网络环境中进行扩展，适用于设备硬件存储空间或网络带宽有限的场景。 MQTT 已逐渐成为 IoT 领域最热门的协议，也是国内外各大物联网平台最主流的传输协议，阿里云 IoT 平台很多设备都是通过 MQTT 接入。 本文将详细介绍 MQTT 协议的历史演进，以及阿里云 IoT 平台在 MQTT 协议层实践中的一些关键设计及思考。
本文主要包含了以下内容：
1）MQTT 协议演进历史及协议特点，总结和分析 MQTT 协议族的优缺点，分析和总结了为什么相比于其他协议，MQTT 适合 IoT，业内支持现状等。
2）阿里云 IoT MQTT3 和 5 协议在实践中的一些关键设计及思考。 包括连接复用、设备状态一致性、扩展增值能力设计等。
1. MQTT 协议详解
1.1 MQTT 协议演进
MQTT 最初由 IBM 于 20 世纪 90 年代发明，最初是用于石油管道的传感器与卫星之间数据传输。MQTT v3.1.1 于 2014.10 月正式发布，与此同时 v3.1.1 已成为 OASIS 协议标准（就是 3.1.1 已升级为国际物联网标准）。正如 HTTP 为人们通过 web 分享信息铺平了道路一样，MQTT 标准化能将几十亿低成本、IoT 设备连接到网络。毫无疑问，MQTT 是当前最主流、增长最迅速的 IoT 应用层传输协议，目前，阿里云 IoT 平台许多在线设备都是通过 MQTT 接入的。
MQTT v5.0 于 2018.5 月正式发布，2019 年 3 月，v5.0 成为了新的 OASIS 标准。v5.0 在 v3.1.1 的基础上做了较大的改变且不做向下兼容，显然是有太多的新东西要被引入，所有现有的实现要重新实现。 此次通过的 v5.0 是自 2014 年的 v3.1.1 以来最重要的协议升级，新协议能适应近年来行业发展的新需求，同时也为未来物联网行业发展的做了协议上的准备。 阿里云 IoT 平台从 2020.1 月开始支持 MQTT5.0。
1.2 MQTT 协议族
每一种协议都是在特定上下文、约束下得出的折中设计，从来都没有完美的协议。 MQTT 经过几十年的发展，针对不同场景已经演进出相对成熟的多版本协议。
1.2.1 MQTTv3
MQTTv3 协议是为在低带宽、不可靠的网络上工作的传感器而设计的基于 TCP 的应用层协议，适用于 IoT 场景。 MQTT 报文设计紧凑，可在严重受限的硬件设备和低带宽/高延迟的网络上实现稳定传输。它具有以下几项重要特性：使用发布/订阅消息模式，支持一对多的消息分发，解除设备和业务之间的耦合； 报文格式设计精简， 适用于小规模数据传输以及资源受限的 IoT 设备。 固定头部是 2 字节，开销很小，支持 QoS0、QoS1、QoS2 三种消息 QoS。
MQTT3.1.1 在 MQTTv3 基础上引入了一些新特性， 主要包括：clientId 优化，支持 broker 给设备指定 clientId，增大了 clientId 最大长度。ack 响应优化，connect ack 中引入 session Present 标识，告诉设备当前 broker 有上次连接的会话信息，设备可以根据这个标记减少重复订阅等步骤。设备能够在等 broker 返回 connect ack 之前发布消息，这个特性有点类似 tls 的 false start， 适用于对于突发模式的设备端。
MQTTv3/v3.1.1 在实际应用中存在以下不足：1）错误码设计的不够完整，设备难以完整感知到 broker 的处理异常；2）不支持设备跟 broker 之间的能力发现/协商，broker 不能提供可选能力等。3）协议设计的过于精简，没有预留扩展空间，无法直接在协议层做扩展，协议能力相对简陋。4）对于一些高阶能力支持不够，例如协议层缺乏流控、优先级、报头压缩等功能。5）MQTT3 是基于 TCP 的应用层协议，TCP 固有的一些缺点也被 MQTT 继承了。
1.2.2 MQTT-SN
MQTT-SN(Sensor Networks) 是 MQTT 协议的传感器网络版本，最早用在 zigBee 无线网络中，主要面对电池供电，有限的处理器能力和存储能力的设备。只有很小的内存和 CPU，TCP 对于这些设备来说非常奢侈，甚至无法允许 TCP 协议栈。 还有一些网络，比如 zigBee，报文的长度在几百字节以下，无法承载太大的数据包。MQTT-SN 有主要特点：1） MQTT-SN 支持运行在链路层、IP、UDP 之上。2） QOS 增加了-1 级别，只用于传输，尽力而为，无保证。3）更丰富且开销更低的 Topic 类型。4）网络架构增加了 SN 网关。
1.2.3 MQTTv5
MQTT 5.0 在协议层提供了更大的自定义扩展空间，平台基于扩展点可支持更丰富的协议能力。v3.1 版本中，只能通过 overlay 方式，在业务层提供扩展能力。
MQTT5.0 主要特点如下：
1） 用户属性
设备上下行消息的时候支持携带用户自定义的属性，用户可以添加两端约定的属性数据，类似于 MQ 的标签，其中云端在转发应用消息时会保持所有用户属性的先后顺序。
2） 主题别名
设备上报消息的 topic 常常相对比较固定，数量不会特别多，那么只需首次发送消息的时候，通过携带 Topic 别名告知对端， 下次发送消息的时候，这个 topic 将会使用这个 Topic 别名的值来代替，即可减少上报 Publish 消息的报头。 通过将主题缩减为一个整型的数值可以达到减小 MQTT 报头大小的作用，从而减小传输流量开销，非常适用于带宽资源受限的设备。
3）请求/响应模式
MQTT3.1 版本中通信双方需要事先协商好请求主题和响应 topic。 MQTT5 新增了响应主题和相关数据，接收方只需关注怎么处理请求，而不用事先协商或考虑好怎么将响应正确返回给请求方。
4） 响应报文原因码和原因字符串
mqtt 3.1 协议中原因码的种类较少，这些原因码所能表示的含义很少，并且 mqtt3.1 不支持服务端通过 disconnect 报文断开连接，导致设备端仅根据响应难以定位问题。 mqtt5.0 有近 50 个原因码，绝大部分 ack 响应报文都包含了原因码，设备可以根据这些丰富的原因码定位请求是否成功以及问题。 MQTT5 议能反馈更多的错误信息到端上，并且支持云端通过 disconnect 报文主动断开连接， 设备端知道服务端发生了什么，因而能更灵活的应对。
5） 服务端能力协商
支持告知设备端 云端所支持的功能列表，避免设备端使用云端不支持的功能。
1.3 业内现状
1.3.1 开源社区 & 云产商
目前主流 MQTT Broker 开源社区基本已经支持 v5.0，并且开源 SDK 也已经初步支持 v5.0，与此同时，国内 IoT 云厂商还没有支持 v5.0，但未来已来。
1.3.2 客户端 SDK 支持现状
2. MQTT 协议层实践
2.1 MQTT 应用架构
主要分为 6 大模块：
基础接入模块：包括多版本协议编解码、多协议端口复用、会话管理、心跳检测、连接管理等。
协议扩展模块：包括基于自定义协议扩展，实现的一系列扩展功能，包括通道解压缩、低功耗免 ping 等。
增值消息服务：包括 Rrpc、广播、时钟同步、脚本前置解析等。
业务埋点模块：设备行为统计、在线时长聚合、网络延时诊断等。
安全防御模块：包括黑名单机制、入口流控等。
高可用模块：包括流量分组调度、容灾降级等。
运维管控模块：主要包括流量分组调度、限流管理、连接诊断
2.2 协议层设计挑战
设备状态一致性策略设计，包括 session 管理机制、心跳检测机制、异地登陆问题、状态最终一致性策略。
在 MQTT 发布/订阅异步分发模型上，如何满足多样的业务场景。例如同步调用、广播等。
如何同时满足不同场景下设备对 MQTT 接入需求，单应用上如何同时支持两个版本 MQTT 协议
MQTTv3 协议过于精简，业务从 MQTT3 切换到 v5 的过渡时间，如何扩展协议层能力，提高客户接入体验。
2.3 MQTT 关键策略设计
2.3.1 设备在线状态
协议层本地有 session 管理器来对本地会话进行管理，通过心跳检测、会话自检来保证跟设备之间的连接状态一致性，当前平台单设备不支持同时同设备多端登陆，基于分布式会话，协议层通过分布式会话识别异地登陆，将异常连接踢下线。
设备状态一致性策略：设备到 MQTT 协议接入层之间是 tcp 长连接，通过心跳机制保证心跳周期内设备状态的最终一致性。同时通过分布式会话版本号，保证分布式会话并发更新安全，通过上行消息/心跳定时触发会话自检机制，解决异常情况下本地/分布式会话状态不一致的问题。
2.3.2 消息推送模式
MQTT 协议是基于 PUB/SUB 的异步通信模式，针对单设备纬度实现基础的发布/订阅推送外，还支持了复杂的消息推送方式：RRpc 和在线广播。
在传统的基于 PUB/SUB 通信模式的中间件中， 消息的 Producer/Consumer 只负责生产和消费，彼此之间不会直接通讯。 而在某些业务场景不仅仅是将消息投递至订阅方，订阅方收到消息后可能还会执行一些操作并返回结果，PUB/SUB 模式下实现这种请求/响应模式会非常繁琐，在 MQTT 中通信双方需要事先协商请求和响应 topic。
针对这一痛点，协议层在发布订阅模式之上构建了一套 Rpc 通讯模式，解决开发者痛点。Rrpc 模式允许 Producer 发出消息后，以同步形式等待 Consumer 消费这条消息并返回响应，达到类似 Rpc 的调用效果。Rrpc 模式使得 MQTT 应用具备了同步调用的能力，扩展了使用场景，使其具备更多的可能性。
通过 topic 中包含的 messageId 匹配请求与响应，对业务数据零侵入
messageId 的生成与匹配、超时控制等逻辑，调用方无感知
简化了业务方调用逻辑，扩展了 MQTT 使用场景。
2.3.3 多种类接入方式
MQTT 协议层针对不同场景支持多种 MQTT 接入方式，同时支持 tcp 直连、tls、ws、wss 等方式接入，用于满足不同场景接入需求。为了实现更好的网络穿透性，协议层实现了多协议端口复用，也就是一个端口同时支持多种协议。
边解析边判断，处理效率高；
节约常用端口，实现更好的网络穿透性
内部能力扩展对设备侧无感知
针对 MQTT 协议 5 和 3，通过协议解析也实现了同时兼容。
2.3.4 自定义协议扩展
MQTTv3 在实际应用中存在一些缺点，而 MQTTv5 生态的繁荣推广还需要很长时间的推进， 在 MQTT3 到 5 的过渡时间，我们在 v3.1.1 基础上通过 overlay 的方式，提供了扩展套件来解决客户痛点。
没有什么问题不是封一层解决不了的，如果有那就再封一层，思路：
通过在建连 clientId 中扩展 ext 参数，实现端云之间能力协商
通过扩展消息 topic 格式，实现支持自定义属性
定义一套 ext 异常推送 topic 规范
丰富接入增值能力，提高接入体验
后端能力提前 ready 沉淀，5.0 升级可复用已有能力
2.4 未来展望
当前阿里云 IoT 平台协议层已支持了 MQTT 主流协议，并支持了多种协议接入方式，但还存在一些会进一步优化的地方：1）更丰富的消息质量模型，例如支持 QoS2，支持消息优先级等； 2）完善低功耗领域的网关侧支持，可以跟 SDK/边缘网关合作，支持 MQTT-SN 协议等
3. 参考资料
还未添加个人签名 2022.04.22 加入
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