简述MQTT协议

目录

1. 简介
2. MQTT协议组成
3. MQTT三种QOS

1.简介

1.1 MQTT介绍

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）：

• 是IBM推出的一种针对移动终端设备基于TCP/IP的发布/订阅协议；
• 可以连接大量的远程传感器和控制设备，MQTT的特点是可以保持长连接，具有一定的实时性；
• 云端向设备端发送消息，设备端可以在最短的时间内接受并且作出回响；
• MQTT更适合需要实时控制的场合，尤其适合执行器；
• 要保持长连接，那么就要时不时地发送心跳包，这就不会省电；
• MQTT的长连接按需要建立在TCP的基础上，TCP协议的复杂性决定了对设备的要求相比UDP更高些；
• MQTT属于互联网中的应用层

MQTT协议特性：

• 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；
• 有三种消息发布服务质量（QoS0、QoS1、QoS2）：
  • ”最多一次“，消息发布完全依赖于底层的TCP/IP网络，会发生消息丢失或者重复，这一级别可用于对采集数据要求不严格的情况；
  • ”至少一次“，确保消息到达，但是消息可能会重复发生；
  • ”只有一次“，确保消息只到达一次，这一级别可用于要求严格如涉及计费系统的情况，消息重复或者丢失都是不允许的。
• 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；
• 使用 Last Will和Testrament特性通知有关各方客户端异常中断的机制；
• 允许用户动态创建主题，零运维成本；
• 把低带宽、高延迟、不稳定的网络因素考虑在内；
• 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；
• 官网：http://mqtt.org/

MQTT协议的中心是MQTT服务器或者代理(broker)

• 用户可以使用MQTT构建一个传感器网络，其中各种传感器都能够以其传感器独有的消息形式发布传感器值，订阅程序能够订阅不同的消息，以据此采取措施，MQTT代理将处理从发布程序到订阅程序的转发消息。
• MQTT服务器除了收集转发数据，还可以进行数据处理和存储，例如，实时存储共享单车车辆运行位置、电池用量、状态信息等数据，以及对总体的车辆进行计算和统筹管理，甚至为一些聊天工具提供平台的服务。

MQTT主题模式：

• MQTT是通过主题对消息进行分类的

• 主题的本质就是一个UTF-8的字符串

• 主题可以通过反斜杠标识多层级关系

• 主题不需要创建，直接使用就可以了

• 主题还可以通过通配符进行过滤

  • +可以过滤一个层级

  • *只能够出现在主题最后表示过滤任意级别的层级

    举个例子：

    • building-b/floor-5：代表B楼5层的设备
    • +/floor-5：表示任意一个楼层的5层的设备
    • building-b/*：代表B楼所有的设备

• MQTT中有3个角色

  • 发布者 Publisher
  • 订阅者 Subscriber
  • 代理 Broker

• MQTT这种结构替代了传统的客户端/服务器模型，可以实现以下解耦：

  • 空间解耦，发布者和订阅者不需要知道对方
  • 时间解耦，发布者和订阅者不需要同时运行（离线消息）
  • 同步解耦，发布和接收都是异步通讯，无需停止任何处理

2.MQTT协议组成

2.1 MQTT报文格式

MQTT协议通过交换预定义的MQTT控制报文来通信。MQTT主要是有以下三部分组成的：

• 固定控制报头 Fixed Header

  • 剩余数据长度 Pakcet Length（判断可变长度报头、有效数据载荷接下来有多少数据）

• 可变长度报头 Variable Header（服务于有效数据载荷）

• 有效数据载荷 Payload（有效数据载荷会根据可变长度报头而发生改变）

  Fixed header	固定报头，所有控制报文都包含
  Variable header	可变报头，部分控制报文包含
  Payload	有效载荷，部分控制报文包含

2.2 MQTT固定控制报头

固定报头格式：（每个byte可以理解为一个数组，然后数组中有许多的Bit每个Bit就可以比作一个索引，每个索引中只能存0，1）

2.2.1 控制报文的类型

• CONNECT 客户端发送到服务端的连接请求
• CONNACK 服务端发送到客户端的确认连接的信息
• PUBLISH 发布消息（也就是发布端），客户端、服务端都可以发送，消息的服务质量为QoS0，也就是只发布消息但是不管发布之后的事情
• PUBACK 消息发布出去，收到确认，也就是QoS1的消息服务质量
• PUBREC 发布收到，服务器记录了这个消息
• PUBREL 发布释放，发布方释放了这个消息
• PUBCOMP QoS2发布完成（在三个QoS中，QoS2消息是最可靠的）
• SUBSCRIBE 客户端订阅的请求
• SUBACK 订阅请求报文的确认（收到请求后返回一个应答）
• UNSUBSCRIBE 客户端取消订阅请求
• UNSUBACK 客户端确认订阅取消
• PINGEQ 心跳请求
• PINGRESP 心跳响应
• DISCONNECT 客户端断开连接

2.2.3 控制报文的标志位

这个不要看蒙了，这个其实就是一个简单的约束关系，对应着上方的类型给予他的一些控制报文的约束，比如下方的：

• Bit 3：为DUP字段，如果为1，则表明这个数据包是一条重复的消息，否则该数据包就是第一次发布的消息；

• Bit 2：为QoS字段，如果为1，则表示QoS2：只有一次；

• Bit 1：为QoS字段，如果为1，则表示QoS1：最少要有一次；

• 如果Bit 2、Bit 1都为0的情况下，则为QoS0

  如果同时将Bit2、Bit1设置成1，那么客户端或者服务器就会认为你这个是个非法的消息，会自动关闭当前的连接。

2.3 Remaining Length（剩余长度）

位置：从第2个字节开始

剩余长度（Remaining Length）表示当前报文剩余部分的字节数，包括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，对小于128的值它使用单字节编码。更大的值按下面的方式处理。低7位有效用于编码数据，最高有效位用于指示是否有更多的字节。因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位（continuation bit）。剩余长度字段最大4字节。（最多可以发送256MB的数据）

2.4 Variable header（可变长度报头）

某些MQTT控制报文包含一个可变报头部分。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（Packet Identifier）字段存在于多个类型的报文里。

可变报头分为：

• 根据报文的类型的不同，会有不同的报文识别
• 协议名称（Protocol Name）
• 协议级别（Protocol Level）
• 连接时间（Connect Flags）
• 保活时间（Keep Alive）
• 连接标识（Packet Identifier）

2.4.1 报文标识符

很多控制报文的可变报头部分包含了一个两字节的报文标识符字段。其中PUBLSH（Qos>0时），PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE这些报文类型才有报文标识符字段。

报文标识符相当于自定义的Topic的ID，用ID号去代替具体的Topic，而不是字段，使得区分发来的Topic的同时又可以节省流量，可自定义，建议自己预先拟定一个服务ID表。

订阅返回，返回Topic订阅成功信息，返回的不是具体Topic，返回的就是报文标识符。

2.5 Payload（有效载荷）

有些报文类型是包含Payload的，Payload意思是消息载体的意思；

如PUBLISH的Payload就是指消息内容（应用程序发布的消息内容）。而CONNECT的Payload则包含ClientIdentifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息。

包含payload的报文类型如下：

2.5.1 连接标志

连接标志位字节包含一些用于指定MQTT链接行为的参数。它还指出了有效载荷中的字段是否存在。

服务端必须验证CONNECT控制报文的保留标志位（第0位）是否为0，如果不为0必须断开客户端连接。

整个MQTT协议

2.6 MQTT的服务端与客户端

• 服务端：
  • 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之间的中介
  • 接受来自客户端的网络连接
  • 接受客户端发布的应用消息
  • 处理客户端的订阅和取消订阅请求
  • 转发应用消息给符合条件的已订阅客户端
• 客户端：
  • 使用MQTT的程序或者设备，客户端总是通过网络连接到服务端
  • 发布应用消息给其他相关的客户端
  • 取消订阅以移除接受应用消息的请求
  • 从服务端断开连接

3.MQTT协议中三种QOS的区别

3.1 QOS0

客户端直接通过PUBLISH发消息给服务器，让服务器进行消息的发布，但是服务器在不在，服务器能不能够接受得到消息，客户端都是未知的，所以导致的是，其他的客户端最多只能接收到一次你的消息，存在一定的隐患。

3.2 QOS1

客户端通过PUBLISH发消息给服务器，让服务器进行消息的发布，在此同时，服务器会回信给客户端一个应答，如果我没有接收到这个应答的话，我就会再发送一次，直到客户端接收到来自服务器的应答才不会再次进行发送。

3.3 QOS2

仅有一次，首先客户端将消息发送给服务器，让服务器进行发布消息，然后服务器会回复客户端说”我已经将你的数据记录下来了“，客户端接收到之后，他还会回复服务器一个”那我就把这个消息释放了“，服务器收到客户端的消息之后，回复一个服务器消息发布完成的消息给客户端，这才结束了QOS2的发布消息。