原理简介_消息通信的利器MQTT协议简介及协议原理

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前言：

相比于 XMPP， MQTT 的简单轻量受到了不少工程师的喜爱，从物联网到传统的消息服务，简单可依赖的 MQTT 到底为何让人如此着迷呢？

MQTT 协议－MQTT 协议简介及协议原理

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。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. 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：

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。
对负载内容屏蔽的消息传输机制。
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

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
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)相关联。

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

3. MQTT数据结构

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

3.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

Bit	7	6	5	4	3	2	1	0
byte 1	`MQTT`数据包类型				不同类型`MQTT`数据包的具体标识
byte 2…	剩余长度

3.1.1 MQTT数据包类型

位置：byte 1, bits 7-4。

相于一个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

3.1.2 标识位

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：

数据包	标识位	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
CONNECT	保留位	0	0	0	0
CONNACK	保留位	0	0	0	0
PUBLISH	MQTT 3.1.1使用	DUP¹	QoS²	QoS²	RETAIN³
PUBACK	保留位	0	0	0	0
PUBREC	保留位	0	0	0	0
PUBREL	保留位	0	0	0	0
PUBCOMP	保留位	0	0	0	0
SUBSCRIBE	保留位	0	0	0	0
SUBACK	保留位	0	0	0	0
UNSUBSCRIBE	保留位	0	0	0	0
UNSUBACK	保留位	0	0	0	0
PINGREQ	保留位	0	0	0	0
PINGRESP	保留位	0	0	0	0
DISCONNECT	保留位	0	0	0	0

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，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。

3.1.3 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

3. 2 MQTT可变头

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	6	5	4	3	2	1	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

3. 3 Payload 消息体

Payload 消息体位于 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。

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MQTT 3.1.1 规范 http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/mqtt-v3.1.1.htmlMQTT 3.1.1 规范中文版 https://mcxiaoke.gitbooks.io/mqtt-cn/content/