MQTT协议学习与总结

1. MQTT控制包

        MQTT协议是基于TCP/IP层之上的应用层协议，它是通过交换预定义的MQTT控制包来实现的。一个MQTT控制包由3个部分组成，并总是按照如下顺序排列：

固定头部（所有MQTT控制包都包含）

每个MQTT命令消息的消息头部都包含一个固定头部。固定头部的格式如下表如示：

    Byte 1    包含消息类型和标志（包括DUP，QoS level和RETAIN）字段

    Byte 2    包含剩余长度字段（至少1个字节，最多4个字节）

其中，消息类型共14种，如下图所示：

可变头部（部分特定控制包中包含）
       某些类型的MQTT命令消息还包含了一个可变头部，它位于固定头部和有效载荷之间，不同的控制包的可变头部不同。可变头部中包含：协议名称、协议版本、连接标志、 Clean session 标志、 Will 标志、 连接用户名和密码、心跳周期、连接返回码、主题名等信息。

有效载荷（部分特定控制包中包含）

       部分MQTT控制包在包的最后包含有效载荷，例如，对于PUBLISH包而言，其有效载荷为应用层消息，对于SUBSCRIBE包而言，其有效载荷内容为主题过滤器列表，SUBACK包的有效载荷包含一个返回码列表（如下图所示）

2.主题名和主题过滤器

        MQTT服务器（代理）是通过MQTT订阅的主题名来分发消息的，订阅的主题可以包含特殊字符，且一个客户端可以一次订阅多个主题。

    主题层次分隔符（Topic level separator）

    斜线（/）是用来分隔一棵主题树里的各个层次，它提供了一个层次结构的主题空间。主题层次分隔符的引入为解决主题冲突有重要的意义。

    多层次通配符

    数字符号（#）即多层次通配符，用来匹配一个主题内的任意层次。

例如，如果你订阅了 finance/stock/ibm/#，则你可以收到如下主题的消息：
finance/stock/ibm
finance/stock/ibm/closingprice
finance/stock/ibm/currentprice

多层次通配符可以表示0个或任意多个层次。因而，finance/# 也可以匹配finance 主题，这时， # 代表0层次。

多层次通配符只有2种用法，一是只有它自己本身，二是放在主题层次分隔符之后。因此， # 和 finance/# 都是合法的，而 finance#则是不合法的。

多层次通配符在主题树使用时必须作为最后一个字符。例如， finance/# 是合法的，而 finance/#/closingprice 是不合法的。

   单层次通配符

   加号（+）是用来匹配一个主题层次的通配符。

例如，finance/stock/+ 可以匹配:finance/stock/ibm 和 finance/stock/xyz 主题，但不能匹配 finance/stock/ibm/closingprice主题。同时，因为单层次通配符必须匹配一个层次，所以 finance/+ 不能匹配 finance 。

单层次通配符可以用于主题树中的任意层次，而且可以与多层次通配符配合使用。与多层次通配符的用法一样，单层次通配符要么只有它自己，要么要放在主题层次分隔符之后。因而， + 和 finance/+ 都是合法的，而 finance+ 是不合法的。

单层次分隔符即可以放在主题树的最后，也可以放在主题树的中间。例如， finance/+ 和 finance/+/ibm 都是合法的。  

3.遗言机制

        考虑到MQTT客户端可能因为不稳定的网络环境从MQTT服务器断开，来不及通知其他客户端自己离线的情况，MQTT协议提供了遗言机制。即在建立MQTT连接时，MQTT客户端便告诉服务器当自己离线时 ，需要将某个消息发送到某个主题。

        当MQTT客户端真的从服务器断开后（1.5个心跳周期未收到客户端的心跳），服务器会自动将其遗言消息发送至预设的主题，用来通知设备离线。

4.消息服务质量

MQTT消息服务质量（QoS）可分为如下三种：

    QoS 0“至多一次”，消息发布完全依赖于底层TCP/IP网络。消息有可能丢失或重复。这一级别可应用于如下情景，如环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为很快下一次读记录就会产生。

    QoS 1“至少一次”，确保消息到达，但消息重复有可能发生。

    QoS 2“只有一次”，确保消息到达且只到达一次。这一级别可用于如计费系统等场景，在计费系统中，消息丢失或重复可能会导致生成错误的费用。

5.MQTT服务器（broker）

参考：https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/server-support#capabilities

6.MQTT客户端

        MQTT客户端既可以作订阅者、也可以作发布者，通过订阅和发布对方的主题，能够轻松实现M2M（Machine to Machine）。

MQTT客户端调试工具推荐：

MQTT.fx：http://mqttfx.jensd.de/index.php/download

MQTTBox：http://workswithweb.com/html/mqttbox/downloads.html