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MQTT面试题

Salmon2026/1/15大约 8 分钟

MQTT面试题

本章汇总 MQTT 相关的高频面试题，涵盖基础概念、协议原理、实践应用等方面。

基础概念

1. 什么是 MQTT？它有什么特点？

答案：

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议。

主要特点：

  1. 轻量级：协议头最小只有 2 字节，适合带宽受限的网络
  2. 发布/订阅模式：解耦消息发送者和接收者
  3. QoS 机制：提供三种服务质量等级，保证消息可靠性
  4. 遗嘱消息：客户端异常断开时自动发布预设消息
  5. 保留消息：新订阅者可以立即收到主题的最后一条消息
  6. 低功耗：适合物联网设备和移动应用

2. MQTT 和 HTTP 有什么区别？

答案：

特性MQTTHTTP
通信模式发布/订阅请求/响应
连接方式长连接短连接（HTTP/1.1 可复用）
头部开销2 字节起数百字节
双向通信原生支持需要轮询或 WebSocket
QoS支持不支持
适用场景物联网、实时通信Web 应用、API

为什么物联网更适合 MQTT：

  • 设备资源有限，需要轻量级协议
  • 网络不稳定，需要 QoS 保证
  • 需要服务器主动推送消息
  • 需要低功耗，长连接比频繁建连更省电

3. MQTT 的三种 QoS 等级有什么区别？

答案：

QoS名称特点适用场景
0At most once最多一次，可能丢失传感器周期上报
1At least once至少一次，可能重复设备状态、控制指令
2Exactly once恰好一次，不丢不重金融交易、计费

QoS 1 流程：

Publisher --> PUBLISH --> Broker
Publisher <-- PUBACK <-- Broker

QoS 2 流程（四次握手）：

Publisher --> PUBLISH --> Broker
Publisher <-- PUBREC <-- Broker
Publisher --> PUBREL --> Broker
Publisher <-- PUBCOMP <-- Broker

QoS 降级：最终 QoS = min(发布 QoS, 订阅 QoS)

4. Clean Session 的作用是什么？

答案：

Clean Session 控制会话的持久性：

Clean Session = true：

  • 连接时清除之前的会话状态
  • 断开时不保存会话状态
  • 不会收到离线期间的消息
  • 适用于临时客户端

Clean Session = false：

  • 连接时恢复之前的会话状态
  • 断开时保存会话状态（订阅、未确认消息）
  • 重连后可以收到离线期间的 QoS 1/2 消息
  • 适用于需要离线消息的客户端

5. 遗嘱消息（Last Will）是什么？什么时候触发？

答案：

遗嘱消息是客户端在连接时预设的消息，当客户端异常断开时，Broker 自动发布该消息。

触发条件：

  • 网络故障导致连接断开
  • 客户端在 Keep Alive 时间内无响应
  • 客户端未发送 DISCONNECT 直接关闭连接
  • Broker 因协议错误关闭连接

不触发的情况：

  • 客户端正常发送 DISCONNECT 断开

应用场景：设备在线状态监控

client.will_set("device/status", "offline", qos=1, retain=True)

协议原理

6. MQTT 报文的基本结构是什么？

答案：

MQTT 报文由三部分组成：

+------------------+------------------+------------------+
|   Fixed Header   | Variable Header  |     Payload      |
|    (必须)        |    (部分报文)    |    (部分报文)    |
+------------------+------------------+------------------+

固定头（2+ 字节）：

  • 第 1 字节：报文类型（4 bits）+ 标志位（4 bits）
  • 第 2+ 字节：剩余长度（变长编码，1-4 字节）

剩余长度编码：每字节低 7 位表示数值，最高位表示是否有后续字节，最大可表示约 256MB。

7. MQTT 主题通配符 + 和 # 有什么区别？

答案：

通配符匹配范围位置限制示例
+单层任意位置sensor/+/temp
#多层必须在最后sensor/#

示例：

订阅: home/+/temperature
匹配: home/room1/temperature ✓
      home/room2/temperature ✓
      home/floor1/room1/temperature ✗

订阅: home/#
匹配: home ✓
      home/room1 ✓
      home/room1/temperature ✓

注意：通配符只能用于订阅，不能用于发布。

8. MQTT 的心跳机制是如何工作的？

答案：

MQTT 使用 Keep Alive 机制检测连接是否存活：

  1. 客户端在 CONNECT 报文中指定 Keep Alive 时间（秒）
  2. 客户端必须在 Keep Alive 时间内发送至少一个报文
  3. 如果没有数据要发送，客户端发送 PINGREQ
  4. Broker 收到 PINGREQ 后回复 PINGRESP
  5. 如果 1.5 × Keep Alive 时间内没有收到任何报文，认为连接断开
Client                    Broker
   |                        |
   |------ PINGREQ -------->|
   |<----- PINGRESP --------|
   |                        |

9. 保留消息（Retained Message）有什么作用？

答案：

保留消息是 Broker 为每个主题保存的最后一条消息，新订阅者会立即收到该消息。

特点：

  • 每个主题只保留一条消息
  • 新订阅者立即收到保留消息
  • 发送空消息可以清除保留消息

应用场景：

  • 设备配置下发
  • 设备状态同步
  • 系统公告
# 发布保留消息
client.publish("device/config", '{"interval": 60}', retain=True)

# 清除保留消息
client.publish("device/config", "", retain=True)

MQTT 5.0

10. MQTT 5.0 相比 3.1.1 有哪些主要改进？

答案：

特性说明
原因码所有响应报文都有详细的原因码
属性可以在报文中携带额外信息
共享订阅多个客户端组成消费组，负载均衡
消息过期消息可以设置过期时间
主题别名用整数代替主题字符串，减少带宽
用户属性自定义键值对
请求/响应原生支持请求/响应模式
会话过期精确控制会话过期时间
流控控制未确认消息数量

11. MQTT 5.0 的共享订阅是什么？

答案：

共享订阅允许多个客户端组成消费组，实现消息的负载均衡分发。

格式：$share/{group}/{topic}

                    +-- 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...)

应用场景：

  • 高吞吐量消息处理
  • 消费者水平扩展
  • 避免消息重复处理

实践应用

12. 如何设计物联网平台的 MQTT 主题结构？

答案：

推荐结构：

{组织}/{产品}/{设备ID}/{数据类型}

示例:
iot/sensor/device001/telemetry    # 遥测数据
iot/sensor/device001/event        # 事件上报
iot/sensor/device001/command      # 下行指令
iot/sensor/device001/response     # 指令响应
iot/sensor/device001/status       # 设备状态

设计原则：

  1. 层级清晰，3-5 层为宜
  2. 使用小写字母和连字符
  3. 避免以 / 开头
  4. 预留通配符订阅的可能性

13. 如何保证 MQTT 消息不丢失？

答案：

  1. 使用 QoS 1 或 QoS 2

    client.publish("topic", "message", qos=1)

  2. 使用持久会话

    client = mqtt.Client(clean_session=False)

  3. 配置消息持久化

    # Broker 配置
persistence = true

  4. 监控消息队列

    • 避免队列溢出
    • 及时消费消息

  5. 实现应用层确认

    • 业务层消息确认
    • 失败重试机制

14. 如何处理 MQTT 消息重复？

答案：

QoS 1 可能产生重复消息，需要在应用层处理：

方案1：消息ID去重

class MessageDeduplicator:
    def __init__(self):
        self.seen = set()
    
    def is_duplicate(self, msg_id):
        if msg_id in self.seen:
            return True
        self.seen.add(msg_id)
        return False

方案2：幂等设计

def process_order(order_id, data):
    if order_exists(order_id):
        return  # 幂等，直接返回
    create_order(order_id, data)

方案3：使用 QoS 2（性能开销大）

15. MQTT 集群是如何实现消息路由的？

答案：

MQTT 集群通过路由表实现跨节点消息路由：

  1. 订阅同步：客户端订阅时，订阅信息同步到所有节点
  2. 路由表：每个节点维护全局路由表
  3. 消息转发：消息发布时，根据路由表转发到订阅者所在节点
Client A (订阅 topic/a)     Client B (发布到 topic/a)
        |                           |
        v                           v
    +-------+                   +-------+
    | Node1 |<---- 集群通信 ---->| Node2 |
    +-------+                   +-------+
        |
        v
    消息投递给 Client A

16. 如何优化 MQTT 的性能？

答案：

Broker 层面：

  • 调整系统内核参数（文件描述符、TCP 参数）
  • 配置合适的连接数和队列大小
  • 使用集群分散负载

客户端层面：

  • 选择合适的 QoS（非必要不用 QoS 2）
  • 使用连接池复用连接
  • 批量发布消息

消息层面：

  • 压缩消息内容
  • 使用高效的序列化格式（Protobuf、MessagePack）
  • 使用主题别名（MQTT 5.0）

主题设计：

  • 避免过深的层级
  • 减少通配符订阅
  • 合理规划主题结构

安全相关

17. MQTT 有哪些安全机制？

答案：

  1. 传输层安全（TLS/SSL）

    • 加密通信，防止窃听
    • 证书验证，防止中间人攻击

  2. 认证机制

    • 用户名密码认证
    • 客户端证书认证（mTLS）
    • Token 认证（JWT）

  3. 访问控制（ACL）

    • 控制客户端对主题的访问权限
    • 支持发布/订阅权限分离

  4. 其他

    • 连接速率限制
    • 消息大小限制
    • 客户端 ID 白名单

18. 如何防止 MQTT 客户端访问未授权的主题？

答案：

通过 ACL（访问控制列表）配置：

# 允许设备只能访问自己的主题
pattern readwrite device/%c/#

# 允许管理员访问所有主题
user admin
topic readwrite #

# 禁止访问系统主题
topic deny $SYS/#

最佳实践：

  • 实施最小权限原则
  • 使用主题模式匹配（%c 代表 Client ID）
  • 定期审计权限配置

小结

MQTT 面试题主要考察：

  1. 基础概念：协议特点、QoS、会话管理
  2. 协议原理：报文结构、主题匹配、心跳机制
  3. MQTT 5.0：新特性、共享订阅
  4. 实践应用：主题设计、可靠性保证、性能优化
  5. 安全机制：TLS、认证、ACL

掌握这些知识点，能够应对大多数 MQTT 相关的面试问题。

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贡献者: Salmon