主题与通配符

主题（Topic）是 MQTT 消息路由的核心，理解主题的设计和通配符的使用对于构建高效的 MQTT 应用至关重要。

主题基础

主题格式

MQTT 主题是一个 UTF-8 编码的字符串，使用斜杠 / 分隔层级：

home/living-room/temperature
sensor/device001/status
china/beijing/weather

主题规则

1. 区分大小写：Home/Temperature 和 home/temperature 是不同的主题
2. 允许空格：主题中可以包含空格（但不推荐）
3. 以 / 开头：/home/temp 是合法的，第一层为空字符串
4. 不能为空：主题字符串不能为空
5. 不能包含 # 和 +：这两个字符是通配符，只能用于订阅

主题层级

主题: home/living-room/temperature
      |    |           |
      |    |           +-- 第三层: temperature
      |    +-------------- 第二层: living-room
      +------------------- 第一层: home

通配符

MQTT 提供两种通配符，仅用于订阅，不能用于发布。

单层通配符 +

+ 匹配主题的单个层级：

订阅: home/+/temperature

匹配:
  ✓ home/living-room/temperature
  ✓ home/bedroom/temperature
  ✓ home/kitchen/temperature

不匹配:
  ✗ home/temperature              (缺少一层)
  ✗ home/floor1/bedroom/temperature (多了一层)

多个 + 可以组合使用：

订阅: +/+/temperature

匹配:
  ✓ home/bedroom/temperature
  ✓ office/room1/temperature
  ✓ factory/zone1/temperature

多层通配符 #

# 匹配主题的多个层级，必须放在主题的最后：

订阅: home/#

匹配:
  ✓ home
  ✓ home/living-room
  ✓ home/living-room/temperature
  ✓ home/bedroom/humidity
  ✓ home/floor1/room1/device1/status

订阅: sensor/+/#

匹配:
  ✓ sensor/device1/status
  ✓ sensor/device1/temperature/value
  ✓ sensor/device2/humidity/current

通配符使用规则

规则	示例	说明
# 必须在最后	home/# ✓	正确
# 不能在中间	home/#/temp ✗	错误
+ 可以在任意位置	+/room/+ ✓	正确
通配符只能订阅	发布到 home/+ ✗	错误

系统主题

MQTT Broker 通常会发布系统状态到以 $ 开头的主题：

$SYS/broker/version          # Broker 版本
$SYS/broker/uptime           # 运行时间
$SYS/broker/clients/total    # 客户端总数
$SYS/broker/messages/sent    # 发送消息数

注意

订阅 # 不会匹配 $ 开头的系统主题，需要显式订阅 $SYS/#。

主题设计最佳实践

1. 层级结构设计

推荐的主题层级结构：

{组织}/{位置}/{设备类型}/{设备ID}/{数据类型}

示例:
company/factory1/sensor/temp001/temperature
company/factory1/sensor/temp001/humidity
company/factory1/actuator/valve001/status

2. 命名规范

推荐:
  ✓ home/living-room/temperature    (小写，连字符分隔)
  ✓ sensor/device_001/status        (下划线分隔)

不推荐:
  ✗ Home/LivingRoom/Temperature     (大小写混用)
  ✗ home/living room/temperature    (包含空格)
  ✗ /home/temperature               (以斜杠开头)

3. 避免过深层级

推荐（3-5层）:
  ✓ home/bedroom/light/status

不推荐（层级过深）:
  ✗ company/region/city/building/floor/room/device/sensor/type/value

4. 使用有意义的名称

推荐:
  ✓ device/sensor001/temperature
  ✓ home/bedroom/light/brightness

不推荐:
  ✗ d/s001/t
  ✗ a/b/c/d

主题设计示例

智能家居

# 设备状态
home/{room}/{device}/status
home/living-room/light/status
home/bedroom/ac/status

# 设备控制
home/{room}/{device}/set
home/living-room/light/set
home/bedroom/ac/set

# 传感器数据
home/{room}/sensor/{type}
home/living-room/sensor/temperature
home/living-room/sensor/humidity

物联网平台

# 设备上行数据
iot/{product_id}/{device_id}/telemetry
iot/{product_id}/{device_id}/event
iot/{product_id}/{device_id}/property/post

# 设备下行指令
iot/{product_id}/{device_id}/command
iot/{product_id}/{device_id}/property/set

# 设备状态
iot/{product_id}/{device_id}/status

车联网

# 车辆数据上报
vehicle/{vin}/telemetry/location
vehicle/{vin}/telemetry/speed
vehicle/{vin}/telemetry/fuel

# 远程控制
vehicle/{vin}/command/lock
vehicle/{vin}/command/ac

# OTA 升级
vehicle/{vin}/ota/notify
vehicle/{vin}/ota/progress

主题过滤性能

订阅数量影响

场景: 1000 个设备，每个设备 10 个数据点

方案1: 每个数据点单独订阅
  订阅数: 1000 × 10 = 10000 个订阅
  
方案2: 使用通配符
  订阅: device/+/# 
  订阅数: 1 个订阅

通配符性能考虑

# 精确订阅（性能最好）
device/sensor001/temperature

# 单层通配符（性能较好）
device/+/temperature

# 多层通配符（性能一般）
device/#

# 全局订阅（性能最差，谨慎使用）
#

共享订阅（MQTT 5.0）

MQTT 5.0 引入共享订阅，实现消费者负载均衡：

# 共享订阅格式
$share/{group}/{topic}

# 示例
$share/consumer-group/sensor/+/temperature

                    +-- Consumer 1 (收到消息1, 4, 7...)
                    |
Broker --消息--> $share/group/topic --+-- Consumer 2 (收到消息2, 5, 8...)
                    |
                    +-- Consumer 3 (收到消息3, 6, 9...)

# Python 共享订阅示例
client.subscribe("$share/mygroup/sensor/+/temperature")

面试题预览

常见面试题

1. MQTT 主题通配符 + 和 # 有什么区别？
2. 为什么订阅 # 不能匹配 $SYS 开头的主题？
3. 如何设计一个物联网平台的主题结构？
4. MQTT 5.0 的共享订阅有什么作用？

小结

主题是 MQTT 消息路由的核心，合理的主题设计能够提高系统的可维护性和性能。使用通配符可以简化订阅管理，但要注意性能影响。MQTT 5.0 的共享订阅为消费者负载均衡提供了原生支持。