MQTT物联网协议详解

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。做为一种低开销、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. MQTT协议特点
2. MQTT协议原理
   • 2.1 MQTT协议实现方式
   • 2.2 网络传输与应用消息
   • 2.3 MQTT客户端
   • 2.4 MQTT服务器
   • 2.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话
   • 2.6 MQTT协议中的方法

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百TCP/IP网络，如：ZigBee。

MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议，提供有序、无损、双向连接。其特点包括：

1. 使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。
2. 对负载内容屏蔽的消息传输机制。
3. 对传输消息有三种服务质量（QoS）：
   • 最多一次，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
   • 至多一次，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>=1
   • 只有一次，确保消息只有一次到达。即：＝1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别
4. 数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有2字节），以减少网络流量
5. 通知机制，异常中断时通知传输双方

2. MQTT协议原理

2.1 MQTT协议实现方式

• 实现MQTT协议需要：客户端和服务器端
• 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
  • 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）
  • 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 网络传输与应用消息

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：

• 发布其他客户端可能会订阅的信息
• 订阅其它客户端发布的消息
• 退订或删除应用程序的消息
• 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：

• 接受来自客户的网络连接
• 接受客户发布的应用信息
• 处理来自客户端的订阅和退订请求
• 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

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。

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。

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。

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。

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。

Connect，等待与服务器建立连接

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

Subscribe，等待完成订阅

UnSubscribe，等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅

Publish，MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程

http://itbilu.com/other/relate/4kHBsx_Pg.html

3、协议初解

先说一下整个协议的构造，整体上协议可拆分为：

                    固定头部+可变头部+消息体

协议说白了就是对于双方通信的一个约定，比如传过来一段字符流，第1个字节表示什么，第2个字节表示什么。。。。一个约定。

所以在固定头部的构造如下：

3.1、MessageType(0和15保留，共占4个字节)

3.2、DUP flag

 其是用来在保证消息传输可靠的，如果设置为1，则在下面的变长头部里多加MessageId,并需要回复确认，保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。

3.3、Qos

主要用于PUBLISH（发布态）消息的，保证消息传递的次数。

00表示最多一次 即<=1

01表示至少一次  即>=1

10表示一次，即==1

11保留后用

3.4、Retain

 主要用于PUBLISH(发布态)的消息，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。如果不设那么推送至当前订阅的就释放了。

3.5、固定头部的byte 2

是用来保存接下去的变长头部+消息体的总大小的。

但是不是并不是直接保存的，同样也是可以扩展的，其机制是，前7位用于保存长度，后一部用做标识。

我举个例了，即如果计算出后面的大小为0<length<=127的，正常保存

如果是127<length<16383的，则需要二个字节保存了，将第一个字节的最大的一位置1,表示未完。然后第二个字节继续存。

拿130来说，第一个字节存10000011,第二个字节存000000001，也就是0x83,0x01,把两个字节连起来看，第二个字节权重从2的8次开始。

同起可以加第3个字节，最多可以加至第4个字节。故MQTT协议最多可以实现268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)将近256M的数据。可谓能伸能缩。

 可变头部

这个是可变头部的全貌。

1、首先最上面的8个字节是Protocol Name(编码名)，UTF编码的字符“MQIsdp”，头两个是编码名提长为6。

这里多说一些，接下去的协议多采用这种方式组合，即头两个字节表示下一部分的长，然后后面跟上内容。这里头两个字节长为6，下面跟6个字符“MQIsdp”。

2、Protocol Version，协议版本号，v3 也是固定的。

3、Connect Flag，连接标识，有点像固定头部的。8位分别代表不同的标志。第1个字节保留。

Clean Session,Will flag，Will Qos, Will Retain都是相对于CONNECT消息来说的。

Clean Session:0表示如果订阅的客户机断线了，那么要保存其要推送的消息，如果其重新连接时，则将这些消息推送。

                            1表示消除，表示客户机是第一次连接，消息所以以前的连接信息。

Will Flag，表示如果客户机在不是在发送DISCONNECT消息中断，比如IO错误等，将些置为1,要求重传。并且下且的WillQos和WillRetain也要设置，消息体中的Topic和MessageID也要设置，就是表示发生了错误，要重传。

Will Qos，在CONNECT非正常情况下设置，一般如果标识了WillFlag，那么这个位置也要标识。

Will RETAIN：同样在CONNECT中，如果标识了WillFlag,那么些位也一定要标识

usename flag和passwordflag，用来标识是否在消息体中传递用户和密码，只有标识了，消息体中的用户名和密码才用效，只标记密码而不标记用户名是不合法的。

4、Keep Alive，表示响应时间，如果这个时间内，连接或发送操作未完成，则断开tcp连接，表示离线。

5、Connect Return Code即通常于CONNACK消息中，表示返回的连接情况，我可以通过此检验连接情况。

6、Topic Name，订阅消息标识，MQTT是基于订阅/发布的消息，那么这个就是消息订阅的标识，像新闻客户端里的订阅不同的栏目一样。用于区别消息的推送类别。

主要用于PUBLISH和SUBSCRIBE中。最大可支持32767个字符，即4个字节。

消息体（PayLoad）

只有3种消息有消息体CONNECT，SUBSCRIBE，SUBACK

CONNECT主要是客户机的ClientID，订阅的Topic和Message以及用户名和密码，其于变长头部中的will是对应的。

SUBSCRIBE是包含了一系列的要订阅的主题以及QOS。

SUBACK是用服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QOS进行确认和回复。

而PUBLISH是消息体中则保存推送的消息，以二进制形式，当然这里的编辑可自定义。

7、Message Identifier

固定头中的QoS level标志值为1或2时才会在：PUBLISH，PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE，SUBACK，UNSUBSCRIBE，UNSUBACK等消息的可变头中出现。保证Message传输的可靠性。

一个16位无符号位的short类型值（值不能为 0，0做保留作为无效的消息ID），仅仅要求在一个特定方向（服务器发往客户端为一个方向，客户端发送到服务器端为另一个方向）的通信消息中必须唯一。比如客户端发往服务器，有可能存在服务器发往客户端会同时存在重复，但不碍事。

可变头部中，需要两个字节的顺序是MSB(Most Significant Bit) LSB(Last/Least Significant Bit)，翻译成中文就是，最高有效位，最低有效位。最高有效位在最低有效位左边/上面，表示这是一个大端字节/网络字节序，符合人的阅读习惯，高位在最左边。

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
	Message Identifier MSB
	Message Identifier LSB