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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：

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

5. 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

6. 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：

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：

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：

• 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：

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。

更多请查看

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/