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MQTT 主题与通配符（Topics & Wildcards）入门手册

EMQX Team
2024-10-8
MQTT 教程
MQTT 主题与通配符（Topics & Wildcards）入门手册

目录

引言

MQTT 的灵活性和高效性核心在于两个关键概念：主题（Topics）和通配符（Wildcards）。它们构成了 MQTT 发布-订阅模型的基础，使复杂的物联网生态系统中能够实现无缝且精准的通信。

MQTT 主题是消息的寻址机制，使设备和应用能够组织和筛选信息流。主题提供了分层结构，可以代表 IoT 系统的不同方面，比如设备位置、传感器类型和数据类别。有效地设计和利用主题对于构建可扩展、易管理的 IoT 解决方案至关重要。

与主题互补的是 MQTT 通配符，它们是增强协议灵活性的有力工具。通配符允许订阅者同时接收多个主题的消息，简化客户端逻辑并减少网络开销。掌握通配符的使用，开发者可以创建更加动态、响应快速的 IoT 应用程序，能够在不频繁重新配置的情况下适应变化的数据需求。

在本文中，我们将深入探讨 MQTT 主题和通配符的结构、最佳实践和高级特性。我们将分析一些特殊情况，比如以 $开头的主题，探讨如何在各种实际场景中应用这些概念，并解答常见问题，帮助您更深入理解这些关键的 MQTT 组件。

什么是 MQTT 主题（MQTT Topics）？

MQTT 主题本质上是一个 UTF-8 编码的字符串，是 MQTT 协议进行消息路由的基础。MQTT 主题类似 URL 路径，使用斜杠 / 进行分层：

chat/room/1
sensor/10/temperature
sensor/+/temperature
sensor/#

为了避免歧义且易于理解，通常不建议主题以 / 开头或结尾，例如 /chat 或 chat/。

不同于消息队列中的主题（比如 Kafka 和 Pulsar），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。

下图是一个简单的 MQTT 订阅与发布流程， APP 1 订阅了sensor/2/temperature 主题后，将能接收到 Sensor 2 发布到该主题的消息。

MQTT 发布订阅

MQTT 主题通配符（MQTT Wildcards）

MQTT 主题通配符包含单层通配符 + 及多层通配符 #，主要用于客户端一次订阅多个主题。

注意：通配符只能用于订阅，不能用于发布。

单层通配符

加号 (“+” U+002B) 是用于单个主题层级匹配的通配符。在使用单层通配符时，单层通配符必须占据整个层级，例如：

+ 有效
sensor/+ 有效
sensor/+/temperature 有效
sensor+ 无效（没有占据整个层级）

如果客户端订阅了主题 sensor/+/temperature，将会收到以下主题的消息：

sensor/1/temperature
sensor/2/temperature
...
sensor/n/temperature

但是不会匹配以下主题：

sensor/temperature
sensor/bedroom/1/temperature

多层通配符

井字符号（“#” U+0023）是用于匹配主题中任意层级的通配符。多层通配符表示它的父级和任意数量的子层级，在使用多层通配符时，它必须占据整个层级并且必须是主题的最后一个字符，例如：

# 有效，匹配所有主题
sensor/# 有效
sensor/bedroom# 无效（没有占据整个层级）
sensor/#/temperature 无效（不是主题最后一个字符）

如果客户端订阅主题 senser/#，它将会收到以下主题的消息：

sensor
sensor/temperature
sensor/1/temperature

以 $ 开头的主题

系统主题

以 $SYS/ 开头的主题为系统主题，系统主题主要用于获取 MQTT 服务器自身运行状态、消息统计、客户端上下线事件等数据。目前，MQTT 协议暂未明确规定 $SYS/ 主题标准，但大多数 MQTT 服务器都遵循该标准建议。

例如，EMQX 服务器支持通过以下主题获取集群状态。

主题 说明
$SYS/brokers EMQX 集群节点列表
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/version EMQX 版本
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/uptime EMQX 运行时间
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/datetime EMQX 系统时间
$SYS/brokers/emqx@127.0.0.1/sysdescr EMQX 系统信息

EMQX 还支持客户端上下线事件、收发流量、消息收发、系统监控等丰富的系统主题，用户可通过订阅 $SYS/# 主题获取所有系统主题消息。详细请见：EMQX 系统主题文档。

共享订阅

共享订阅是 MQTT 5.0 引入的新特性，用于在多个订阅者之间实现订阅的负载均衡，MQTT 5.0 规定的共享订阅主题以 $share 开头。

虽然 MQTT 协议在 5.0 版本才引入共享订阅，但是 EMQX 从 MQTT 3.1.1 版本开始就支持共享订阅。

下图中，3 个订阅者用共享订阅的方式订阅了同一个主题 $share/g/topic，其中topic 是它们订阅的真实主题名，而 $share/g/ 是共享订阅前缀（g/ 是群组名，可为任意 UTF-8 编码字符串）。

MQTT 共享订阅

另外，对于 MQTT 5.0 以下的版本，EMQX 还支持不带群组的共享订阅前缀 $queue，关于共享订阅的更多详情请查看 EMQX 共享订阅文档。

不同场景中的主题设计

智能家居

比如我们用传感器监测卧室、客厅以及厨房的温度、湿度和空气质量，可以设计以下几个主题：

  • myhome/bedroom/temperature
  • myhome/bedroom/humidity
  • myhome/bedroom/airquality
  • myhome/livingroom/temperature
  • myhome/livingroom/humidity
  • myhome/livingroom/airquality
  • myhome/kitchen/temperature
  • myhome/kitchen/humidity
  • myhome/kitchen/airquality

接下来，可以通过订阅 myhome/bedroom/+ 主题获取卧室的温度、湿度及空气质量数据，订阅 myhome/+/temperature 主题获取三个房间的温度数据，订阅 myhome/# 获取所有的数据。

充电桩

充电桩的上行主题格式为 ocpp/cp/${cid}/notify/${action}，下行主题格式为 ocpp/cp/${cid}/reply/${action}。

  • ocpp/cp/cp001/notify/bootNotification

    充电桩上线时向该主题发布上线请求。

  • ocpp/cp/cp001/notify/startTransaction

    向该主题发布充电请求。

  • ocpp/cp/cp001/reply/bootNotification

    充电桩上线前需订阅该主题接收上线应答。

  • ocpp/cp/cp001/reply/startTransaction

    充电桩发起充电请求前需订阅该主题接收充电请求应答。

即时消息

  • chat/user/${user_id}/inbox

    一对一聊天：用户上线后订阅该收件箱主题 ，将能接收到好友发送给自己的消息。给好友回复消息时，只需要将该主题的 user_id 换为好友的的 id 即可。

  • chat/group/${group_id}/inbox

    群聊：用户加群成功后，可订阅该主题获取对应群组的消息，回复群聊时直接给该主题发布消息即可。

  • req/user/${user_id}/add

    添加好友：可向该主题发布添加好友的申请（user_id 为对方的 id）。

    接收好友请求：用户可订阅该主题（user_id 为自己的 id）接收其他用户发起的好友请求。

  • resp/user/${user_id}/add

    接收好友请求的回复：用户添加好友前，需订阅该主题接收请求结果（user_id 为自己的 id）。

    回复好友申请：用户向该主题发送消息表明是否同意好友申请（user_id 为对方的 id）。

  • user/${user_id}/state

    用户在线状态：用户可以订阅该主题获取好友的在线状态。

MQTT 主题常见问题及解答

主题的层级及长度有什么限制吗？

MQTT 协议规定主题的长度为两个字节，因此主题最多可包含 65,535 个字符。

建议主题层级为 7 个以内。使用较短的主题名称和较少的主题层级意味着较少的资源消耗，例如 my-home/room1/data 比 my/home/room1/data 更好。

服务器对主题数量有限制吗？

不同消息服务器对最大主题数量的支持各不一致，目前 EMQX 的默认配置对主题数量没有限制，但是主题数量越多将会消耗越多的服务器内存。考虑到连接到 MQTT Broker 的设备数量一般较多，我们建议一个客户端订阅的主题数量最好控制在 10 个以内。

通配符主题订阅与普通主题订阅性能是否一致？

通配符主题订阅的性能弱于普通主题订阅，且会消耗更多的服务器资源，用户可根据实际业务情况选择订阅类型。

重叠订阅了普通主题和通配符主题时如何接收消息?

假如客户端同时订阅了 # 和 test 主题，当向 test 主题发送消息时，是否会收到两条重复消息？这取决于 MQTT broker 的实现，例如 EMQX 会为每个匹配的订阅发送消息。但是用户可以使用 MQTT 5.0 中的订阅标识符来区分消息来源，然后在客户端中根据订阅标识符来处理这类重复的消息。

同一个主题能被共享订阅与普通订阅同时使用吗？

可以，但是不建议同时使用。

常见的 MQTT 主题使用建议有哪些？

  • 不建议使用 # 订阅所有主题；
  • 不建议主题以 / 开头或结尾，例如 /chat 或 chat/；
  • 不建议在主题里添加空格及非 ASCII 特殊字符；
  • 同一主题层级内建议使用下划线 _ 或横杆 - 连接单词（或者使用驼峰命名）；
  • 尽量使用较少的主题层级；
  • 当使用通配符时，将唯一值的主题层（例如设备号）越靠近第一层越好。例如，device/00000001/command/# 比device/command/00000001/# 更好。

结语

至此，相信读者已对 MQTT 主题及通配符有了深刻的理解。接下来，可访问 EMQ 提供的 MQTT 入门与进阶系列文章了解 MQTT 协议的其他特性，探索 MQTT 的更多高级应用，开启 MQTT 应用及服务开发。

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