一、簡述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的'輕量級'通訊協(xié)議，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯(lián)網（IoT）。其在，通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。

二、設計規(guī)范

由于物聯(lián)網的環(huán)境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設計原則：

• （1）精簡，不添加可有可無的功能；
• （2）發(fā)布/訂閱（Pub/Sub）模式，方便消息在傳感器之間傳遞；
• （3）允許用戶動態(tài)創(chuàng)建主題，零運維成本；
• （4）把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；
• （5）把低帶寬、高延遲、不穩(wěn)定的網絡等因素考慮在內；
• （6）支持連續(xù)的會話控制；
• （7）理解客戶端計算能力可能很低；
• （8）提供服務質量管理；
• （9）假設數據不可知，不強求傳輸數據的類型與格式，保持靈活性。

三、主要特性

MQTT協(xié)議工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協(xié)議，它具有以下主要的幾項特性：

• （1）使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合。

  這一點很類似于XMPP，但是MQTT的信息冗余遠小于XMPP，,因為XMPP使用XML格式文本來傳遞數據。

• （2）對負載內容屏蔽的消息傳輸。

• （3）使用TCP/IP提供網絡連接。

  主流的MQTT是基于TCP連接進行數據推送的，但是同樣有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。這兩種版本由于基于不同的連接方式，優(yōu)缺點自然也就各有不同了。

• （4）有三種消息發(fā)布服務質量：

  '至多一次'，消息發(fā)布完全依賴底層TCP/IP網絡。會發(fā)生消息丟失或重復。這一級別可用于如下情況，環(huán)境傳感器數據，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久后還會有第二次發(fā)送。這一種方式主要普通APP的推送，倘若你的智能設備在消息推送時未聯(lián)網，推送過去沒收到，再次聯(lián)網也就收不到了。

  '至少一次'，確保消息到達，但消息重復可能會發(fā)生。

  '只有一次'，確保消息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統(tǒng)中，可以使用此級別。在計費系統(tǒng)中，消息重復或丟失會導致不正確的結果。這種最高質量的消息發(fā)布服務還可以用于即時通訊類的APP的推送，確保用戶收到且只會收到一次。

• （5）小型傳輸，開銷很?。ü潭ㄩL度的頭部是2字節(jié)），協(xié)議交換最小化，以降低網絡流量。

  這就是為什么在介紹里說它非常適合'在物聯(lián)網領域，傳感器與服務器的通信，信息的收集'，要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協(xié)議來傳遞消息再適合不過了。

• （6）使用Last Will和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。

  Last Will：即遺言機制，用于通知同一主題下的其他設備發(fā)送遺言的設備已經斷開了連接。

  Testament：遺囑機制，功能類似于Last Will。

四、MQTT協(xié)議原理

4.1 MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式

實現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。

MQTT傳輸的消息分為：主題（Topic）和負載（payload）兩部分：

• （1）Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）后，就會收到該主題的消息內容（payload）；
• （2）payload，可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

4.2 網絡傳輸與應用消息

MQTT會構建底層網絡傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于字節(jié)流的雙向傳輸。

當應用數據通過MQTT網絡發(fā)送時，MQTT會把與之相關的服務質量（QoS）和主題名（Topic）相關連。

4.3 MQTT客戶端

一個使用MQTT協(xié)議的應用程序或者設備，它總是建立到服務器的網絡連接?？蛻舳丝梢裕?/p>

• （1）發(fā)布其他客戶端可能會訂閱的信息；
• （2）訂閱其它客戶端發(fā)布的消息；
• （3）退訂或刪除應用程序的消息；
• （4）斷開與服務器連接。

4.4 MQTT服務器

MQTT服務器以稱為'消息代理'（Broker），可以是一個應用程序或一臺設備。它是位于消息發(fā)布者和訂閱者之間，它可以：

• （1）接受來自客戶的網絡連接；
• （2）接受客戶發(fā)布的應用信息；
• （3）處理來自客戶端的訂閱和退訂請求；
• （4）向訂閱的客戶轉發(fā)應用程序消息。

4.5 MQTT協(xié)議中的訂閱、主題、會話

一、訂閱（Subscription）

訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯(lián)。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

二、會話（Session）

每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態(tài)交互。會話存在于一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續(xù)的網絡連接。

三、主題名（Topic Name）

連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發(fā)送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。

四、主題篩選器（Topic Filter）

一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。

五、負載（Payload）

消息訂閱者所具體接收的內容。

4.6 MQTT協(xié)議中的方法

MQTT協(xié)議中定義了一些方法（也被稱為動作），來于表示對確定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的數據或動態(tài)生成數據，這取決于服務器的實現(xiàn)。通常來說，資源指服務器上的文件或輸出。主要方法有：

• （1）Connect。等待與服務器建立連接。
• （2）Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作，并與服務器斷開TCP/IP會話。
• （3）Subscribe。等待完成訂閱。
• （4）UnSubscribe。等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。
• （5）Publish。MQTT客戶端發(fā)送消息請求，發(fā)送完成后返回應用程序線程。

五、MQTT協(xié)議數據包結構

在MQTT協(xié)議中，一個MQTT數據包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構成。MQTT數據包結構如下：

• （1）固定頭（Fixed header）。存在于所有MQTT數據包中，表示數據包類型及數據包的分組類標識。
• （2）可變頭（Variable header）。存在于部分MQTT數據包中，數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。
• （3）消息體（Payload）。存在于部分MQTT數據包中，表示客戶端收到的具體內容。

5.1 MQTT固定頭

固定頭存在于所有MQTT數據包中，其結構如下：

5.1.1 MQTT數據包類型

位置：Byte 1中bits 7-4。

相于一個4位的無符號值，類型、取值及描述如下：

5.1.2 標識位

位置：Byte 1中bits 3-0。

在不使用標識位的消息類型中，標識位被作為保留位。如果收到無效的標志時，接收端必須關閉網絡連接：

（1）DUP：發(fā)布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設置為1，則在下面的變長中增加MessageId，并且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測消息重復發(fā)送。

（2）QoS：發(fā)布消息的服務質量，即：保證消息傳遞的次數

（3）RETAIN： 發(fā)布保留標識，表示服務器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現(xiàn)，就把這消息推送給它，如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。 5.1.3 剩余長度（Remaining Length）

地址：Byte 2。

固定頭的第二字節(jié)用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節(jié)是可以擴展，其保存機制，前7位用于保存長度，后一部用做標識。當最后一位為1時，表示長度不足，需要使用二個字節(jié)繼續(xù)保存。例如：計算出后面的大小為0

5.2 MQTT可變頭

MQTT數據包中包含一個可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間?？勺冾^的內容因數據包類型而不同，較常的應用是作為包的標識：

很多類型數據包中都包括一個2字節(jié)的數據包標識字段，這些類型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

5.3 Payload消息體

Payload消息體位MQTT數據包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息：

• （1）CONNECT，消息體內容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
• （2）SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
• （3）SUBACK，消息體內容是服務器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。
• （4）UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。

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