• 一、mqtt协议简介
  • 1.1 MQTT协议特点
  • 1.2 发布和订阅
  • 1.3 QoS（Quality of Service levels）
  • QoS 0
  • QoS 1
  • QoS 2
  • 二、MQTT 数据包结构
  • 2.1 MQTT固定头 ( FixedHeader )
  • 2.2 MQTT可变头 ( Variable header )
  • 2.3 消息体 ( Payload )
  • 三、环境搭建
  • 3.1 MQTT服务器搭建
  • 3.2 MQTT Client


一、mqtt协议简介

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，用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。

1.1 MQTT协议特点

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅的传输协议。
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协议当前版本为，2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外，还有一个简化版MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络，如：ZigBee。
MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。

MQTT协议简介_客户端

1.2 发布和订阅

MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。

这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。

MQTT协议简介_客户端_02

MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。
它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。
服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！
客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之。
客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。
消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。
我们来看看下面的设置。

  • 光伏发电站是发布者（Publisher）。
  • 主要主题（Topic）级别是"PV"，这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data"；
  • "PV/sunshine"是一个布尔值（true/false，也可以是 1/0），充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车（仅在阳光普照时 😃）。
  • 充电站（EVSE）是订阅者，订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。
  • “PV/data” 另一方面，以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率，并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅，以生成一天内传输功率的图表。

这就是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示；

MQTT协议简介_tcp/ip_03

MQTT 发布和订阅

1.3 QoS（Quality of Service levels）

服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器，则客户端将是发送者，MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。

QoS 0

这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1

MQTT协议简介_客户端_04

QoS 1

QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。

MQTT协议简介_IP_05

QoS 2

使用 QoS 2，我们保证消息仅传送到目的地一次。为此，带有唯一消息 ID 的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者。QoS 级别 2 在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。

MQTT协议简介_tcp/ip_06

二、MQTT 数据包结构

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；

整体MQTT的消息格式如下图所示；

MQTT协议简介_服务器_07

2.1 MQTT固定头 ( FixedHeader )

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

MQTT协议简介_网络_08

下面简单分析一下固定头的消息格式；
MQTT消息类型 / message type
**位置：**byte 1, bits 7-4。
4位的无符号值，类型如下：

名称

值

流方向

描述

Reserved

0

不可用

保留位

CONNECT

1

客户端到服务器

客户端请求连接到服务器

CONNACK

2

服务器到客户端

连接确认

PUBLISH

3

双向

发布消息

PUBACK

4

双向

发布确认

PUBREC

5

双向

发布收到（保证第1部分到达）

PUBREL

6

双向

发布释放（保证第2部分到达）

PUBCOMP

7

双向

发布完成（保证第3部分到达）

SUBSCRIBE

8

客户端到服务器

客户端请求订阅

SUBACK

9

服务器到客户端

订阅确认

UNSUBSCRIBE

10

客户端到服务器

请求取消订阅

UNSUBACK

11

服务器到客户端

取消订阅确认

PINGREQ

12

客户端到服务器

PING请求

PINGRESP

13

服务器到客户端

PING应答

DISCONNECT

14

客户端到服务器

中断连接

Reserved

15

不可用

保留位

标识位 / DUP
**位置：**byte 1, bits 3-0。
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（前面已经做过介绍），即：保证消息传递的次数
    00：最多一次，即：<=1
    01：至少一次，即：>=1
    10：一次，即：=1
    11：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。

剩余长度（Remaining Length）
位置：byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为 1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0

2.2 MQTT可变头 ( Variable header )

MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是做为包的标识：

Bit

7 — 0

byte 1

包标签符（MSB

byte 2…

包标签符（LSB）

很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：
PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、
SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

2.3 消息体 ( Payload )

Payload消息体是MQTT数据包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体：
CONNECT，消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码
SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
SUBACK，消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。

三、环境搭建

介绍完基础理论部分，下面在Windows平台上搭建一个简单的MQTT应用，进行简单的应用，整体架构如下图所示；

MQTT协议简介_tcp/ip_09

3.1 MQTT服务器搭建

目前MQTT代理的主流平台有下面几个：

Mosquitto：https://mosquitto.org/

VerneMQ：https://vernemq.com/

EMQX：https://www.emqx.com/zh

本文将使用 Mosquitoo 进行测试，进入到安装页面，下载自己电脑的系统所适配的程序；

MQTT协议简介_tcp/ip_10

下载页面

安装成功之后，进入到安装路径下，找到mosquitto.exe；

MQTT协议简介_IP_11

按住Shift，右键鼠标点击空白处，然后打开Powershell，正常打开一个终端软件即可；

输入./mosquitto.exe -h 可以查看相应的帮助；

输入./mosquitto.exe -p 10086，就开启了MQTT服务，监听的地址是127.0.0.1，端口是10086；

具体如下图所示；

MQTT协议简介_网络_12

3.2 MQTT Client

服务器搭建好了，下面就是开启客户端，进行发布和订阅，这样就可以传输相应的消息。
这里我使用的是自己编译了一个QT mqtt client 程序，是基于Qt的官方库进行编译的，下面打开这个软件，下一期简单介绍一下如何完成这个客户端，并设置好相应参数：
地址：127.0.0.1
端口：10086
然后订阅主题，就可以互相发送数据了，具体如下图所示；

主题通配符：
+ 匹配一个单词
# 匹配多个单词

例：
testtopic/+/iot

testtopic/600ly/iot
testtopic/zkgn/iot

testtopic/test/#

testtopic/test/qq
testtopic/test/device/863488059819451

MQTT协议简介_客户端_13

结合前面的图片来看，整体的架构如下所示；

MQTT协议简介_tcp/ip_14