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1.MQTT协议介绍

1.1 MQTT简介

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。

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。

1.2 MQTT协议设计规范

由于物联网的环境是非常特别的，所以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，解耦Client/Server模式，带来的好处在于不必预先知道对方的存在（ip/port），不必同时运行；

（3）允许用户动态创建主题（不需要预先创建主题），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）支持连续的会话保持和控制（心跳）；

（7）理解客户端计算能力可能很低；

（8）提供服务质量（ quality of service level：QoS）管理；

（9）不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性（指的是应用层业务数据）。

1.3 MQTT协议主要特性

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）开放消息协议，简单易实现。

（2）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。

（3）对负载（协议携带的应用数据）内容屏蔽的消息传输。

（4）基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。

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。

（5）消息服务质量（QoS）支持，可靠传输保证；有三种消息发布服务质量：QoS0：“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。

QoS1：“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

QoS2：“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。

（6）1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。

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。

（7）在线状态感知：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。

1.4 MQTT协议应用领域

MQTT协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。

物联网M2M通信，物联网大数据采集

Android消息推送，WEB消息推送

移动即时消息，例如Facebook Messenger

智能硬件、智能家具、智能电器

车联网通信，电动车站桩采集

智慧城市、远程医疗、远程教育

电力、石油与能源等行业市场

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：

（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服务器端

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 发布/订阅、主题、会话

MQTT 是基于发布(Publish)/订阅(Subscribe) 模式来进行通信及数据交换的，与HTTP的请求(Request)/应答(Response) 的模式有本质的不同。

订阅者(Subscriber) 会向消息服务器(Broker) 订阅一个主题(Topic) 。成功订阅后，消息服务器会将该主题

下的消息转发给所有的订阅者。

主题(Topic)以 ‘/’ 为分隔符区分不同的层级。包含通配符 ‘+’ 或 ‘#’ 的主题又称为主题过滤器(Topic Filters); 不

含通配符的称为主题名(Topic Names) 例如:

chat/room/1
sensor/10/temperature
sensor/+/temperature
$SYS/broker/metrics/packets/received
$SYS/broker/metrics/#

'+': 表示通配一个层级，例如a/+，匹配a/x, a/y '#': 表示通配多个层级，例如a/#，匹配a/x, a/b/c/d 注: '+' 通配一个层级，'#' 通配多个层级(必须在末尾)。

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。

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：客户端连接到服务器

（2）CONNACK：连接确认

（3）PUBLISH：发布消息

（4）PUBACK：发布确认

（5）PUBREC：发布的消息已接收

（6）PUBREL：发布的消息已释放

（7）PUBCOMP：发布完成

（8）SUBSCRIBE：订阅请求

（9）SUBACK：订阅确认

（10）UNSUBSCRIBE：取消订阅

（11）UNSUBACK：取消订阅确认

（12）PINGREQ：客户端发送心跳

（13）PINGRESP：服务端心跳响应

（14）DISCONNECT：断开连接

（15）AUTH：认证

3. MQTT协议数据包结构

官方文档中对于MQTT协议包的结构有着具体的说明：https://mqtt.p2hp.com

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息（payload）三部分构成。MQTT数据包结构如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0WGQvM4u-1645880926489)(数据包结构.png)]

（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，如连接，发布，订阅，心跳等。其中固定头是必须的，所有类型的MQTT协议中，都必须包含固定头。

（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。可变头部不是可选的意思，而是指这部分在有些协议类型中存在，在有些协议中不存在。（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。与可变头一样，在有些协议类型中有消息内容，有些协议类型中没有消息内容。

3.1 固定头（Fixed header）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QxLaxGup-1645880926490)(fixedHeader.png)]

固定头存在于所有MQTT数据包中，固定头包含两部分内容，首字节(字节1)和剩余消息报文长度(从第二个字节开始，长度为1-4字节)，剩余长度是当前包中剩余内容长度的字节数，包括变量头和有效负载中的数据）。剩余长度不包含用来编码剩余长度的字节。

剩余长度使用了一种可变长度的结构来编码，这种结构使用单一字节表示0-127的值。大于127的值如下处理。每个字节的低7位用来编码数据，最高位用来表示是否还有后续字节。因此每个字节可以编码128个值，再加上一个标识位。剩余长度最多可以用四个字节来表示。

数据包类型

位置：第一个字节(Byte 1) 中的7-4个bit位(Bit[7-4])，表示4位无符号值

通过第一个字节的高4位确定消息报文的类型，4个bit位能确定16种类型，其中0000和1111是保留字段。MQTT消息报文类型如下：

报文类型	字段值	数据方向	描述	7-4bit值
保留	0	禁用	保留	0000
CONNECT	1	Client—>Server	客户端连接到服务器	0001
CONNACK	2	Server —> Client	连接确认	0010
PUBLISH	3	Client <–> Server	发布消息	0011
PUBACK	4	Client <–> Server	发布确认(QoS1)	0100
PUBREC	5	Client <–> Server	消息已接收(Qos2 第一阶段)	0101
PUBREL	6	Client <–> Server	消息释放(QoS2 第二阶段)	0110
PUBCOMP	7	Client <–> Server	发布结束(QoS2 第三阶段)	0111
SUBSCRIBE	8	Client —> Server	客户端订阅请求	1000
SUBACK	9	Server—>Client	服务端订阅确认	1001
UNSUBACRIBE	10	Client —> Server	客户端取消订阅	1010
UNSUBACK	11	Server —> Client	服务端取消订阅确认	1011
PINGREQ	12	Client—>Server	客户端发送心跳	1100
PINGRESP	13	Server —> Client	服务端回复心跳	1101
DISCONNECT	14	Client—>Server	客户端断开连接请求	1110
AUTH（V5.0使用）	15	Client <–> Server	认证数据交换	1111

标志位

位置：第一个字节中的0-3个bit位(Bit[3-0])。意思是字节位Bit[3-0]用作报文的标识。

首字节的低4位(bit3~bit0)用来表示某些报文类型的控制字段，实际上只有少数报文类型有控制位，如下图：

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（1）：其中Bit[3]为DUP字段，如果该值为1，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。

（2）：Bit[2-1]为Qos字段：

如果Bit 1和Bit 2都为0，表示QoS 0：至多一次；

如果Bit 1为1，表示QoS 1：至少一次；

如果Bit 2为1，表示QoS 2：只有一次；

如果同时将Bit 1和Bit 2都设置成1，那么客户端或服务器认为这是一条非法的消息，会关闭当前连接

（3）：Bit[0]为RETAIN字段，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。

MQTT消息QoS

MQTT发布消息服务质量保证（QoS）不是端到端的，是客户端与服务器之间的。订阅者收到MQTT消息的QoS级别，最终取决于发布消息的QoS和主题订阅的QoS。

发布消息的QoS	主题订阅的QoS	接收消息的QoS
0	0	0
0	1	0
0	2	0
1	0	0
1	1	1
1	2	1
2	0	0
2	1	1
2	2	2

Qos0消息发布订阅

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UPthBbeR-1645880926491)(Qos0.png)]

Qos1消息发布订阅

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qnUJwqaH-1645880926491)(Qos1.png)]

Qos2消息发布订阅

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EoiHwkVV-1645880926492)(Qos2.png)]

3.2 可变头(Variable Header)

可变头的意思是可变化的消息头部。有些报文类型包含可变头部有些报文则不包含。可变头部在固定头部和消息内容之间，其内容根据报文类型不同而不同。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zuT0y4ms-1645880926492)(varHearder.png)]

协议名

协议名是表示协议名MQTT的UTF-8编码的字符串。MQTT规范的后续版本不会改变这个字符串的偏移和长度

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OGj0GJIH-1645880926492)(xieyi.png)]

协议版本

位无符号值表示客户端的版本等级。3.1.1版本的协议等级是4，MQTT v5.0的协议版本字段为5（0x05）

User Name Flag

如果User Name Flag设置为0，那么用户名不必出现在载荷中

如果User Name Flag设置为1，那么用户名必须出现在载荷中

Password Flag

如果Password Flag设置为0，那么密码不必出现在载荷中

如果Password Flag设置为1，那么密码必须出现在载荷中

如果User Name Flag设置为0，那么Password Flag必须设置为0

3.3 消息体(Payload)

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Client Identififier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息。

包含payload的报文类型如下

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总结

Fixed Header中包含首字节，高4位用来表示报文类型，低4位用于类型控制。目前只有PUBLISH使用了类型控制字段。其它控制字段被保留并且必须与协议定义保持一致。

Fixed Header同时包含Remaining Length，这是剩余消息长度，最大长度为4字节，理论上一条MQTT最大可以传输256MB数据。Remaining Length=Variable Header+Payload长度。

Variable Header是可变头部，有些报文类型中需要包含可变头部，可变头部根据报文类型不同而不同。比如Packet Identififier在发布，订阅/取消订阅等报文中都使用到。

Payload是消息内容，也只在某些报文类型中出现，其内容和格式也根据报文类型不同而不同。