MQTT入门介绍（一）

一．MQTT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。

 

 

二．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：

（1）精简，不添加可有可无的功能；

（2）发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；

（3）允许用户动态创建主题，零运维成本；

（4）把传输量降到最低以提高传输效率；

（5）把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；

（6）支持连续的会话控制；

（7）理解客户端计算能力可能很低；

（8）提供服务质量管理；

（9）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。

三．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：

（1）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。

（2）对负载内容屏蔽的消息传输。

（3）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。

（4）有三种消息发布服务质量：

Qos = 0; "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。

Qos = 1; "至少一次"，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

Qos = 0; "只有一次"，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。

（5）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。

（6）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。

 

四．相关术语

（1） 网络连接（NetWork Connection）

使用的底层传输协议基础设施。

1) 客户端使用它连接服务端

2) 它提供有序的、可靠的、双向字节流传输

（2） 客户端（Client）

使用MQTT的程序或设备。客户端总是通过网络连接到服务端。它可以：

1) 发布应用消息给其他相关的客户端

2) 订阅以请求接收相关的应用消息

3) 取消订阅以移除接受应用消息的请求

4) 从服务端断开连接

（3） 服务端（Server）

一个程序或者设备、作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端端之间的中介。服务端：

1) 接受来自客户端的网络连接

2) 接受客户端发布的应用消息

3) 处理客户端的订阅和取消订阅请求

4) 转发应用消息给符合条件的已订阅客户端

（4） 订阅（Subscription）

订阅包含一个主题过滤器（Topic Filter）和一个最大的服务质量（QoS）等级。订阅与单个会话（Session）关联。会话可以包含对于一个的订阅。会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

（5） 主题名（Topic Name）

附加在应用消息上的一个标签，服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

（6） 主题过滤器（Topic Filter）

订阅中包含的一个表达式，用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符

（7） 会话（Session）

客户端和服务端之间的状态交互。一些会话持续时间长和网络连接一样，另一些可以在客户端和服务端的多个连续网络连接间扩展。

（8） 控制报文（MQTT Control Packet）

通过网络连接发送的信息数据包。MQTT规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH报文）用于传输应用消息。

 

五．MQTT 控制报文

MQTT协议通过交换预定义的MQTT控制报文来通信。MQTT控制报文由三部分组成，分别是：固定报头（所有报文都包含）、可变报头（部分报文包含）、有效载荷（部分报文包含）

Fixed header

固定报头

Variable header

可变报头

Payload

有效载荷

 

（1）固定报头

每个MQTT控制报文都包含一个固定报头，固定报头的格式如下：

Bit

7

6

5

4

3

2

1

0

byte 1

MQTT控制报文的类型

用于指定报文类型的标志位

Byte 2 ...

剩余长度

 

 

MQTT 控制报文的类型（固定报头第一个字节，二进制7-4）：

名字

值

报文流动方向

描述

Reserved

0

禁止

保留

CONNECT

1

客户端到服务端

连接服务端

CONNACK

2

服务端到客户端

确认连接请求

PUBLISH

3

两个方向都允许

发布消息

PUBACK

4

两个方向都允许

发布确认

PUBREC

5

两个方向都允许

发布收到（QoS2，第一步）

PUBREL

6

两个方向都允许

发布释放（QoS2，第二步）

PUBCOMP

7

两个方向都允许

发布完成（QoS2，第三步）

SUBSCRIBE

8

客户端到服务端

订阅主题

SUBACK

9

服务端到客户端

订阅确认

UNSUBSCRIBE

10

客户端到服务端

取消订阅

UNSUBACK

11

服务端到客户端

取消订阅确认

PINGREQ

12

客户端到服务端

心跳请求

PINGRESP

13

服务端到客户端

心跳响应

DISCONNECT

14

客户端到服务端

断开连接

Reserved

15

禁止

保留

 

报文标志Flag（固定报头，第一个字节3-0）

每种报文都对应了相关的标志位，标志位如下表所列，如果收到非法的标志，接收者 必须关闭网络连接。报文标志列表如下：

控制报文

固定报头标志

Bit 3

Bit 2

Bit 1

Bit 0

CONNECT

Reserved

0

0

0

0

CONNACK

Reserved

0

0

0

0

PUBLISH

Userd in MQTT 3.1.1

DUP1

QoS2

QoS2

RETAIN3

PUBACK

Reserved

0

0

0

0

PUBREC

Reserved

0

0

0

0

PUBREL

Reserved

0

0

1

0

PUBCOMP

Reserved

0

0

0

0

SUBSCRIBE

Reserved

0

0

1

0

SUBACK

Reserved

0

0

0

0

UNSUBSCRIBE

Reserved

0

0

1

0

UNSUBACK

Reserved

0

0

0

0

PINGREQ

Reserved

0

0

0

0

PINGRESP

Reserved

0

0

0

0

DISCONNECT

Reserved

0

0

0

0

 

DUP1   = 控制报文的重复分发标志

QoS2   = PUBLISH报文的服务质量等级

RETAIN3  = PUBLISH报文的保留标志

 

剩余长度（固定报头，第二个字节开始，最大4个字节）：

剩余长度（Remaining Length）表示当前报文剩余部分的字节数，包含可变报头和负载的数据。剩余长度不包括用于编码剩余长度字段本身的字节数。

剩余长度字段使用一个变长度编码方案，对于小于128的值它使用单字节编码。更大的值下面的方式处理。低7位有效位用于编码数据，最高有效位用于指示是否有更多的字节，且按照大端方式进行编码。因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位。剩余长度字节最大4个字节。

字节数

最小值

最大值

1

0(0x00)

127(0x7F)

2

128(0x80,0x01)

16383(0xFF,0x7F)

3

16384(0x80,0x80,0x01)

2097151(0xFF,0xFF,0x7F)

4

2097152(0x80,0x80,0x80,0x01)

268435455(0xFF,0xFF,0xFF,0x7F)

 

 

 

 

（2）可变报头

某些MQTT控制报文包含一个可变头部分。它在固定报头和负载之间。可变报头的内容根据报文类型的不同而不同，可变报头的报文标识符字段存在于多个类型的报文里。

报文标识符结构如下：

Bit

7-0

byte 1

报文标识符MSB（字符串长度的最高有效字节）

byte 2

报文标识符LSB（字符串长度的最低有效字节）

 

如下列举了那些MQTT控制报文需要报文标识符

控制报文

报文标识符字段

CONNECT

不需要

CONNACK

不需要

PUBLISH

需要（如果QoS > 0）

PUBACK

需要

PUBREC

需要

PUBREL

需要

PUBCOMP

需要

SUBSCRIBE

需要

SUBACK

需要

UNSUBSCRIBE

需要

UNSUBACK

需要

PINGREQ

不需要

PINGRESP

不需要

DISCONNECT

不需要

 

 

 

 

（3）有效载荷

某些MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷，如下是包含有效载荷的控制报文列表：

控制报文

报文标识符字段

CONNECT

需要

CONNACK

不需要

PUBLISH

可选

PUBACK

不需要

PUBREC

不需要

PUBREL

不需要

PUBCOMP

不需要

SUBSCRIBE

需要

SUBACK

需要

UNSUBSCRIBE

需要

UNSUBACK

不需要

PINGREQ

不需要

PINGRESP

不需要

DISCONNECT

不需要