一、MQTT协议基本介绍

1.1、MQTT是什么？

MQTT，全称为Message Queue Telemetry Transport。在1999年，由IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。

之后IBM一直将MQTT作为一个内部协议在其产品中使用，直到 2010 年，IBM公开发布了 MQTT 3.1 版本。在 2014 年，MQTT协议正式成为了OASIS（结构化信息标准促进组织）的标准协议。

随着多年的发展，MQTT协议的重点也不再只是嵌入式系统，而是更广泛的物联网（Internet of Things）世界了。

1.2、MQTT的优点？

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具有的特点如下：

1、  实现简单；

2、  提供数据传输的Qos；

3、  轻量、占用带宽低；

4、  可传输任意类型的数据；

5、  可保持的会话(session).

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。

1.3、设计规范

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。

1.4、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（3种消息的QoS（Quality of Service））：

“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。

“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

“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。

二、MQTT协议原理

2.1、MQTT协议的实现方式

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）（服务器）、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：

（1）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）；

（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

2.2、网络传输和应用消息

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。

2.3、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：

（1）发布其他客户端可能会订阅的信息；

（2）订阅其它客户端发布的消息；

（3）退订或删除应用程序的消息；

（4）断开与服务器连接。

2.4、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。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

（1）接受来自客户的网络连接；

（2）接受客户发布的应用信息；

（3）处理来自客户端的订阅和退订请求；

（4）向订阅的客户转发应用程序消息。

2.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

五、负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

2.6 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：

（1）Connect。等待与服务器建立连接。

（2）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。

（3）Subscribe。等待完成订阅。

（4）UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。

（5）Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

三、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。MQTT数据包结构如下：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

3.1、MQTT协议的固定头

固定头部共使用两个字节，16位：

第一个字节（byte1），消息类型（Message Type），4-7的段，使用的是4位二进制表示：

Mnemonic

Enumeration

Description

Reserved

0

Reserved

CONNECT

1

Client request to connect to Server

CONNACK

2

Connect Acknowledgment

PUBLISH

3

Publish message

PUBACK

4

Publish Acknowledgment

PUBREC

5

Publish Received (assured delivery part 1)

PUBREL

6

Publish Release (assured delivery part 2)

PUBCOMP

7

Publish Complete (assured delivery part 3)

SUBSCRIBE

8

Client Subscribe request

SUBACK

9

Subscribe Acknowledgment

UNSUBSCRIBE

10

Client Unsubscribe request

UNSUBACK

11

Unsubscribe Acknowledgment

PINGREQ

12

PING Request

PINGRESP

13

PING Response

DISCONNECT

14

Client is Disconnecting

打开标志（DUP flag）

保证消息可靠传输，默认为0，只占用一个字节，表示第一次发送。不能用于检测消息重复发送等。只适用于客户端或服务器端尝试重发PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息，注意需要满足以下条件：

当QoS > 0

消息需要回复确认

QOS（Quality of Service，服务质量），使用两个二进制表示PUBLISH类型消息：

QoS value

bit 2

bit 1

Description

0

0

0

至多一次，发完即丢弃，<=1

1

0

1

至少一次，需要确认回复，>=1

2

1

0

只有一次，需要确认回复，=1

3

1

1

待用，保留位置

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。

3.2 MQTT的可变头部

固定头部仅定义了消息类型和一些标志位，一些消息的元数据，需要放入可变头部中。可变头部内容字节长度 + Playload/负荷字节长度 = 剩余长度，这个是需要牢记的。可变头部，包含了协议名称，版本号，连接标志，用户授权，心跳时间等内容，这部分和后面要讲到的CONNECT消息类型，有重复，暂时略过。

3.3 MQTT的playload/消息体/负荷

消息体主要是为配合固定/可变头部命令（比如CONNECT可变头部User name标记若为1则需要在消息体中附加用户名称字符串）而存在。

CONNECT/SUBSCRIBE/SUBACK/PUBLISH等消息有消息体。PUBLISH的消息体以二进制形式对待。

请记住，MQTT协议只允许在PUBLISH类型消息体中使用自定义特性，在固定/可变头部想加入自定义私有特性，就免了吧。这也是为了协议免于流于形式，变得很分裂也为了兼顾现有客户端等。比如支持压缩等，那就可以在Playload中定义数据支持，在应用中进行读取处理。

参考：https://blog.csdn.net/qq_28877125/article/details/78325003

https://blog.csdn.net/huayucong/article/details/52056360