MQTT的介绍及使用

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1 简述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT的介绍及使用

2 设计规范

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

精简，不添加可有可无的功能；
发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；
允许用户动态创建主题，零运维成本；
把传输量降到最低以提高传输效率；
把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；
支持连续的会话控制；
理解客户端计算能力可能很低；
提供服务质量管理；
假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

3 主要特性

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。
对负载内容屏蔽的消息传输。
使用TCP/IP提供网络连接。主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。
有三种消息发布服务质量QoS (Quality of Service)：

At Most Once 至多一次，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。
At Least Once 至少一次，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
Exactly Once 有且仅有一次，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

小型传输，开销很小（固定长度的头部是2字节），协议交换最小化，以降低网络流量。这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。
使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。
Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。

4 MQTT协议原理

4.1 MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（Payload）两部分：

Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（Payload）；
Payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

4.2 网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。

当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

4.3 MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

发布其他客户端可能会订阅的信息；
订阅其它客户端发布的消息；
退订或删除应用程序的消息；
断开与服务器连接。

4.4 MQTT服务器

MQTT服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

接受来自客户的网络连接；
接受客户发布的应用信息；
处理来自客户端的订阅和退订请求；
向订阅的客户转发应用程序消息。

4.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话

4.5.1 订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

4.5.2 会话（Session）

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

4.5.3 主题名（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

4.5.4 主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

4.5.5 负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

4.6 MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

Connect：等待与服务器建立连接。
Disconnect：等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。
Subscribe：等待完成订阅。
UnSubscribe：等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
Publish：MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

5 MQTT协议数据包结构

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。

固定头（Fixed header）：存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
可变头（Variable header）：存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
消息体（Payload）：存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

5.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，包含两部分内容：首字节(Byte 1) 和剩余消息报文长度(1-4字节)

Byte 1 首字节：

Bit 7 6 5 4 高四位无符号值，用于表示MQTT消息的报文类型(MQTT Control Packet type)，总共可以表示2^4=16种协议类型。
Bit 3 2 1 0 低四位无符号值，用作某些报文的特殊标记(Flags specific to each MQTT Control Packet type)。

Byte 2… Remaining Length 剩余消息报文长度

5.1.1 MQTT数据包类型 MQTT Control Packet type

位于首字节的高四位，即Byte 1中的 bits 7-4，相于一个4位的无符号值。用于确定报文类型。共有2^4=16种，其中0000和1111是保留字段。具体如下：

报文类型	字段值	数据方向	描述
保留	0	禁用	保留
CONNECT	1	Client -> Server	客户端连接到服务器
CONNACK	2	Server -> Client	连接确认
PUBLISH	3	Client <-> Server	发布消息
PUBACK	4	Client <-> Server	发布确认
PUBREC	5	Client <-> Server	消息已接收(QoS2第一阶段)
PUBREL	6	Client <-> Server	消息释放(QoS2第二阶段)
PUBCOMP	7	Client <-> Server	发布结束(QoS2第三阶段)
SUBSCRIBE	8	Client -> Server	客户端订阅请求
SUBACK	9	Server -> Client	服务端订阅确认
UNSUBACRIBE	10	Client -> Server	客户端取消订阅
UNSUBACK	11	Server -> Client	服务端取消订阅确认
PINGREQ	12	Client -> Server	客户端发送心跳
PINGRESP	13	Server -> Client	服务端回复心跳
DISCONNECT	14	Client -> Server	客户端断开连接请求
保留	15	禁用	保留

5.1.2 标识位 Flags specific to each MQTT Control Packet type

位于首字节的低四位，即Byte 1中bits 3-0。表示某些报文类型的控制字段，实际上只有少数报文类型有控制位。

在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：

DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。
QoS：发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数。

Ø00：最多一次，即：<=1Ø01：至少一次，即：>=1Ø10：一次，即：=1Ø11：预留

RETAIN：发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。

5.1.3 剩余长度（Remaining Length）

用来保存变长头部(Variable Header)和消息体(Payload)的总大小。从第二字节(Byte 2)开始，最长可达4字节，所以剩余长度范围是Byte[2-5]。那么怎样确定其长度到底是1字节还是4字节呢？它先用从低位Bit 0到Bit 6来存储，当发现不够时，则将最高位Bit 7(默认都是高字节在前)置为 1，表示长度不足，需要使用下一个字节继续保存，就继续计算字节长度；如果是0，那么就不再计算字节长度。

消息长度可以简单理解为128进制的数据，4位长度最大可以表示128, 128, 128*128Byte=256MB。但是这个长度的计算有些特别，就是低位在前，高位在后(因为正常的表示方法是高位在前，低位在后)，字节最高位Bit7用于标记是否需要继续计算消息长度。以下是消息长度的长度范围：

字节数	长度最小值	长度最大值
1	0(0x00)	127(0x7F)
2	128 (0x80, 0x01)	16 383 (0xFF, 0x7F)
3	16 384 (0x80, 0x80, 0x01)	2 097 151 (0xFF, 0xFF, 0x7F)
4	2 097 152 (0x80, 0x80, 0x80, 0x01)	268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)