MQTT 协议：

MQTT 协议解析

1、概述

image-20181009211220178.png

• 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。
• 针对受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定），可以简单概括为物联网打造。

image-20181009205231920.png image-20181009205606253.png

2、特性

• 1、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。

• 2、对负载内容屏蔽的消息传输。

• 3、使用 TCP/IP 提供网络连接。

  • 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。

image-20181009205851064.png

• 4、有三种消息发布服务质量：

  • “至多一次 0”，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。

  • “至少一次 1”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

  • “只有一次 2”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，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。

image-20181009205133333.png

• 5、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。

  • 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。

• 6、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。

3、实现原理：

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。

image-20181009173719499.png

4、术语：

客户端 Client：

使用MQTT的程序或设备。客户端总是通过网络连接到服务端。它可以

• 发布应用消息给其它相关的客户端。
• 订阅以请求接受相关的应用消息。
• 取消订阅以移除接受应用消息的请求。
• 从服务端断开连接。

服务端 Server

一个程序或设备，作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端之间的中介。服务端

• 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。

订阅 Subscription
订阅包含一个主题过滤器（Topic Filter）和一个最大的服务质量（QoS）等级。订阅与单个会话（Session）关联。会话可以包含多于一个的订阅。会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

主题名 Topic Name
附加在应用消息上的一个标签，服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

• smart/mb/in/vdevo148938693432654 客户端订阅的 device 相关的数据

• smart/mb/out/vdevo148938693432654 硬件订阅的 device 相关的数据

• m/dg/1549706 订阅 group 相关的数据

• m/ug/1679001 订阅 home 相关的数据

• smart/mb/001445249503007iajND 订阅 user 相关的数据

主题过滤器 Topic Filter
订阅中包含的一个表达式，用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符。

会话 Session
客户端和服务端之间的状态交互。一些会话持续时长与网络连接一样，另一些可以在客户端和服务端的多个连续网络连接间扩展。

控制报文 MQTT Control Packet
通过网络连接发送的信息数据包。MQTT规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH报文）用于传输应用消息。

5、MQTT 控制报文格式：

MQTT控制报文的结构 Structure of an MQTT Control Packet

MQTT协议通过交换预定义的MQTT控制报文来通信，MQTT控制报文由三部分组成

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

固定报头的格式 Fixed header

每个MQTT控制报文都包含一个固定报头

image1240.png

控制报文的类型 MQTT Control Packet type

位置：第1个字节，二进制位7-4

名字	值	报文流动方向	描述
Reserved	0	禁止	保留
CONNECT	1	客户端到服务端	客户端请求连接服务端
CONNACK	2	服务端到客户端	连接报文确认
PUBLISH	3	两个方向都允许	发布消息
PUBACK	4	两个方向都允许	QoS 1消息发布收到确认
PUBREC	5	两个方向都允许	发布收到（保证交付第一步）
PUBREL	6	两个方向都允许	发布释放（保证交付第二步）
PUBCOMP	7	两个方向都允许	QoS 2消息发布完成（保证交互第三步）
SUBSCRIBE	8	客户端到服务端	客户端订阅请求
SUBACK	9	服务端到客户端	订阅请求报文确认
UNSUBSCRIBE	10	客户端到服务端	客户端取消订阅请求
UNSUBACK	11	服务端到客户端	取消订阅报文确认
PINGREQ	12	客户端到服务端	心跳请求
PINGRESP	13	服务端到客户端	心跳响应
DISCONNECT	14	客户端到服务端	客户端断开连接
Reserved	15	禁止	保留

剩余长度 Remaining Length

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。

可变报头 Variable header

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）字段存在于在多个类型的报文里

报文标识符 Packet Identifier

很多控制报文的可变报头部分包含一个两字节的报文标识符字段。这些报文是PUBLISH（QoS > 0时）， PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE, SUBACK，UNSUBSCIBE，UNSUBACK。

SUBSCRIBE，UNSUBSCRIBE和PUBLISH（QoS大于0）控制报文必须包含一个非零的16位报文标识符（Packet Identifier）

客户端每次发送一个新的这些类型的报文时都必须分配一个当前未使用的报文标识符

QoS等于0的PUBLISH报文不能包含报文标识符

有效载荷 Payload

某些MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷,对于PUBLISH来说有效载荷就是应用消息

包含有效载荷的控制报文 Control Packets that contain a Payload

控制报文	有效载荷
CONNECT	需要
CONNACK	不需要
PUBLISH	可选
PUBACK	不需要
PUBREC	不需要
PUBREL	不需要
PUBCOMP	不需要
SUBSCRIBE	需要
SUBACK	需要
UNSUBSCRIBE	需要
UNSUBACK	不需要
PINGREQ	不需要
PINGRESP	不需要
DISCONNECT	不需要

• 控制报文 -- Control Packet

image001240.png

• 网络的状态是通信双方不能掌握的。在Linux系统下，TCP的连接超时由内核参数来控制，如果通信中的一方没有得到及时回复，默认会主动再尝试6次。如果还没有得到及时回应，那么其才会认定本次数据超时。

• 连带首次发包与六次重试，Linux系统下这7次发包的超时时间分别为2的0次方至2的6次方，即1秒、2秒、4秒、8秒、16秒、32秒、64秒，一共127秒。MQTT协议认为如此长的超时时间对应用层而言粒度太大，因此其在应用层上还单独设计属于自身的心跳响应控制。常见的MQTT连接超时多被设定为60秒。