MQTT协议学习
概述
MQTT协议（Message Queuing Telemetry Transport），翻译过来就是遥信消息队列传输，是IBM公司于1999年提出的，现在最新版本是3.1.1。MQTT是一个基于TCP的发布订阅协议，设计的初始目的是为了极有限的内存设备和网络带宽很低的网络不可靠的通信，非常适合物联网通信。
MQTT是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计。
- 基于发布 / 订阅范式的 “轻量级” 消息协议（头部 2 字节）
- 专为资源受限的设备、低带宽占用高延时或者不可靠的网络设计，适用于 IoT 与 M2M
- 基于 TCP/IP 协议栈
- 事实的 IoT 通讯的标准协议
特性
- MQTT 协议使用发布 / 订阅消息范式来做到一对多的消息分发以及应用程序的解耦
- MQTT 协议提供了 3 种（QoS）服务质量用于消息传输，适应不同的物联网数据传输场景
- QoS 0：最多一次传送 (只负责传送，发送过后就不管数据的传送情况)
- QoS 1：至少一次传送 (确认数据交付)
- QoS 2：正好一次传送 (保证数据交付成功)
- 通过很小的传输开销，以及最小化的协议交换来减少网络流量
- 发生异常断线时通知各方的机制
- 开放消息协议，简单易实现
- 发布订阅模式，一对多消息发布
- 基于TCP/IP网络连接
- 1字节固定报头，2字节心跳报文，报文结构紧凑
- 消息QoS支持，可靠传输保证
应用场景
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
优势
- MQTT的设计思想是开源、可靠、轻巧、简单，MQTT的传输格式非常精小，最小的数据包只有2个比特，且无应用消息头。MQTT可以保证消息的可 靠性，它包括三种不同的服务质量（最多只传一次、最少被传一次、一次且只传一次），如果客户端意外掉线，可以使用“遗愿”发布一条消息，同时支持持久订 阅。MQTT在物联网以及移动应用中的优势有：
可靠传输。MQTT可以保证消息可靠安全的传输，并可以与企业应用简易集成。
- 消息推送。支持消息实时通知、丰富的推送内容、灵活的Pub-Sub以及消息存储和过滤。
- 低带宽、低耗能、低成本。占用移动应用程序带宽小，并且带宽利用率高，耗电量较少
MQTT V3.1.1协议报文
报文结构
| 固定报头(Fixed header) |
|---|
| 可变报头(Variable header) |
| 报文有效载荷(Payload) |
固定报头
| Bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| byte1 | MQTT Packet type | Flags | ||||||
| byte2… | Remaining Length |
报文类型
| 类型名称 | 类型值 | 报文说明 |
|---|---|---|
| CONNECT | 1 | 发起连接 |
| CONNACK | 2 | 连接回执 |
| PUBLISH | 3 | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | 发布回执 |
| PUBREC | 5 | QoS2消息回执 |
| PUBREL | 6 | QoS2消息释放 |
| PUBCOMP | 7 | QoS2消息完成 |
| SUBSCRIBE | 8 | 订阅主题 |
| SUBACK | 9 | 订阅回执 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | 取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | 取消订阅回执 |
| PINGREQ | 12 | PING请求 |
| PINGRESP | 13 | PING响应 |
| DISCONNECT | 14 | 断开连接 |
报文中文版
https://mcxiaoke.gitbooks.io/mqtt-cn/content/
MQTT消息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
image.png
Qos1消息发布订阅
image.png
Qos2消息发布订阅
image.png
PUBLISH发布消息
PUBLISH报文承载客户端与服务器间双向的发布消息。 PUBACK报文用于接收端确认QoS1报文，PUBREC/PUBREL/PUBCOMP报文用于QoS2消息流程。
PINGREQ/PINGRESP心跳
客户端在无报文发送时，按保活周期(KeepAlive)定时向服务端发送PINGREQ心跳报文，服务端响应PINGRESP报文。PINGREQ/PINGRESP报文均2个字节。
MQTT会话(Clean Session)
MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，可以通过’Clean Session’标志设置会话。
‘Clean Session’设置为0，表示创建一个持久会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销。
‘Clean Session’设置为1，表示创建一个新的临时会话，在客户端断开时，会话自动销毁。
MQTT连接保活心跳
MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，通过KeepAlive参数设置保活周期。
客户端在无报文发送时，按KeepAlive周期定时发送2字节的PINGREQ心跳报文，服务端收到PINGREQ报文后，回复2字节的PINGRESP报文。
服务端在1.5个心跳周期内，既没有收到客户端发布订阅报文，也没有收到PINGREQ心跳报文时，主动心跳超时断开客户端TCP连接。
注解
emqttd消息服务器默认按最长2.5心跳周期超时设计。
MQTT遗愿消息(Last Will)
MQTT客户端向服务器端CONNECT请求时，可以设置是否发送遗愿消息(Will Message)标志，和遗愿消息主题(Topic)与内容(Payload)。
MQTT客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送DISCONNECT消息)，MQTT消息服务器会发布遗愿消息。
MQTT保留消息(Retained Message)
MQTT客户端向服务器发布(PUBLISH)消息时，可以设置保留消息(Retained Message)标志。保留消息(Retained Message)会驻留在消息服务器，后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息。
