业务之MQTT学习笔记理论篇

最近一直做物联网方面的开发，以下内容关于使用MQTT过程中遇到问题的记录以及需要掌握的机制原理,主要讲解理论。

背景

MQTT是IBM开发的一个即时通讯协议。MQTT构建于TCP/IP协议上,面向M2M和物联网IoT的连接协议，采用轻量级发布和订阅消息传输机制。Mosquitto是一款实现了 MQTT v3.1 协议的开源消息代理软件，提供轻量级的，支持发布/订阅的的消息推送模式，使设备对设备之间的短消息通信简单易用。

基本概念

【MQTT协议特点】——相比于RESTful架构的物联网系统，MQTT协议借助消息推送功能，可以更好地实现远程控制。

【MQTT协议角色】——在RESTful架构的物联网系统，包含两个角色客户端和服务器端，而在MQTT协议中包括发布者，代理器（服务器）和订阅者。

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• 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

• MQTT服务器

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：

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

【MQTT协议消息】——MQTT中的消息可理解为发布者和订阅者交换的内容（负载），这些消息包含具体的内容，可以被订阅者使用。

【MQTT协议主题】——MQTT中的主题可理解为相同类型或相似类型的消息集合。

iOS库

iOS 选择第三方库-github这个内容相对比较详细，目前我是用的MQTTKIT

MQTT机制原理

以下 内容为，我在使用过程中需要掌握的基本知识要点

• MQTT基于TCP/IP,支持Qos,轻量级的 machine-to-machine*** 应用层协议***.

• 采用C/S模式，实现发布/订阅机制（publish/subscribe）

• 使用username / password 登录， clientId作为唯一标示符。使用过程中，如果cliendId 重复，会顶掉前一个使用者，另外 还有权限问题。

• 主题
  MQTT是通过主题对消息进行分类的，本质上就是一个UTF-8的字符串，不过可以通过反斜杠表示多个层级关系。允许使用通配符订阅主题，但是并不允许使用通配符广播。

主题范例

关于Topic通配符
/：用来表示层次，比如a/b，a/b/c。
'#':表示匹配>=0个层次，比如a/#就匹配a/，a/b，a/b/c。
单独的一个#表示匹配所有。
不允许 a#和a/#/c。
+：表示匹配一个层次，例如a/+匹配a/b，a/c，不匹配a/b/c。
单独的一个+是允许的，a+不允许，a/+/b不允许


• 服务质量QoS

为了满足不同的场景，MQTT支持三种不同级别的服务质量（Quality of Service，QoS）为不同场景提供消息可靠性：

级别0：尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息，但是遇到意外并不会重试。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

级别1：至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失，消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次，当然可能造成重复消息。即：>=1

级别2：恰好一次。保证这种语义肯定会减少并发或者增加延时，不过丢失或者重复消息是不可接受的时候，级别2是最合适的。

• 消息体(2个字节)

• 消息类型

• 心跳
  Client有责任发送KeepAliveTime时长告诉给Server。在一个时长内，发送PINGREQ，Server发送PINGRES确认。
  Server在1.5个时长内未收到PINGREQ，就断开连接。
  Client在1个时长内未收到PINGRES，断开连接。
  一般来说，时长设置为几个分钟。

• RETAIN(保持)

仅针对PUBLISH消息。不同值，不同含义：

1：表示发送的消息需要一直持久保存（不受服务器重启影响），不但要发送给当前的订阅者，并且以后新来的订阅了此Topic name的订阅者会马上得到推送。

备注：新来乍到的订阅者，只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。

0：仅仅为当前订阅者推送此消息。

优势

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。

参考文档

1. http://mqtt.org/documentation
   2.https://github.com/softwarefaith/MQTTExplore
   3.https://github.com/jmesnil/MQTTKit
   4.http://www.infoq.com/cn/news/2014/12/mqtt-ibm-iot
   5.http://www.zhihu.com/question/23373904
   6.http://www.xuebuyuan.com/1951015.html