MQTT系列 | MQTT基础概念

MQTT 的全称为 Message Queue Telemetry Transport（消息队列遥测传输协议），是在 1999 年，由 IBM 的 Andy Stanford-Clark 和 Arcom 的 Arlen Nipper 为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT 协议在设计之初就包含了以下一些特点：

1. 实现简单
2. 提供数据传输的 QoS
3. 轻量、占用带宽低
4. 可传输任意类型的数据
5. 可保持的会话（session）

之后 IBM 一直将 MQTT 作为一个内部协议在其产品中使用，直到 2010 年，IBM 公开发布了 MQTT 3.1 版本。在 2014 年，MQTT 协议正式成为了 OASIS（结构化信息标准促进组织）的标准协议。简单地来说MQTT协议具有以下特性：

• 基于 TCP 协议的应用层协议；
• 采用 C/S 架构；
• 使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接受方解耦；
• 提供 3 种消息的 QoS（Quality of Service）: 至多一次，最少一次，只有一次；
• 收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答。

下文将从以下四个方面对MQTT的基础概念进行介绍：

• MQTT 协议的通信模型
• MQTT Client
• MQTT Broker
• MQTT协议数据包

1. MQTT 协议的通信模型

MQTT 的通信是通过发布/订阅的方式来实现的，订阅和发布又是基于主题（Topic）的。发布方和订阅方通过这种方式来进行解耦，它们没有直接地连接，它们需要一个中间方。在 MQTT 里面我们称之为 Broker，用来进行消息的存储和转发。一次典型的 MQTT 消息通信流程如下所示：

1. 发布方（Publisher）连接到Broker；
2. 订阅方（Subscriber）连接到Broker，并订阅主题Topic1；
3. 发布方（Publisher）发送给Broker一条消息，主题为Topic1；
4. Broker收到了发布方的消息，发现订阅方（Subscriber）订阅了Topic1，然后将消息转发给订阅方（Subscriber）；
5. 订阅方从Broker接收该消息；

MQTT通过订阅与发布模型对消息的发布方和订阅方进行解耦后，发布方在发布消息时并不需要订阅方也连接到Broker，只要订阅方之前订阅过相应主题，那么它在连接到Broker之后就可以收到发布方在它离线期间发布的消息。我们可以称这种消息为离线消息。

在该通信模型中，有两组身份需要区别：

• 一组是发布方Publisher和订阅方Subscriber
• 另一组是发送方Sender和接收方Receiver

1.1. Publisher和Subscriber

publisher和subscriber是相对于Topic来说的身份，如果一个Client向某个Topic发布消息，那么这个Client就是publisher；如果一个Client订阅了某个Topic，那么它就是Subscriber。

1.2. Sender和Receiver

Sender和Receiver则是相对于消息传输方向的身份。当publisher向Broker发送消息时，那么此时publisher是sender，Broker是receiver；当Broker转发消息给subscriber时，此时Broker是sender，subscriber是receiver。

2. MQTT Client

Publisher 和 Subscriber 都属于 Client，Pushlisher 或者 Subscriber 只取决于该 Client 当前的状态——是在发布消息还是在订阅消息。当然，一个 Client 可以同时是 Publisher 和 Subscriber。client的范围很广，任何终端、嵌入式设备、服务器只要运行了MQTT的库或者代码，都可以称为MQTT Client。MQTT Client库很多语言都有实现，可以在这个网址中找到：MQTT Client库大全

3. MQTT Broker

MQTT Broker负责接收Publisher的消息，并发送给相应的Subscriber，是整个MQTT 订阅/发布的核心。现在很多云服务器提供商都有提供MQTT 服务，比如阿里云、腾讯云等。当然我们自己也可以搭建一个MQTT Broker，个人倾向于使用 mosquitto来搭建自己的MQTT Broker。mosquitto官方网址

4. MQTT协议数据包

MQTT 协议数据包的消息格式为：固定头|可变头|消息体

由下面三个部分组成：

• 固定头（Fixed header）：存在于所有的MQTT数据包中，用于表示数据包类型及对应标志、数据包大小等；
• 可变头（Variable header）：存在于部分类型的MQTT数据包中，具体内容是由相应类型的数据包决定的；
• 消息体（Payload）：存在于部分的MQTT数据包中，存储消息的具体数据。

4.1. 固定头

固定头格式：

固定头的第一个字节的高4位Bit用于表示该数据包的类型，MQTT的数据包有以下一些类型：

名称	值	方向	描述
Reserved	0	不可用	保留位
CONNECT	1	Client 到 Broker	Client 请求连接到 Broker
CONNACK	2	Broker 到 Client	连接确认
PUBLISH	3	双向	发布消息
PUBACK	4	双向	发布确认
PUBREC	5	双向	发布收到
PUBREL	6	双向	发布释放
PUBCOMP	7	双向	发布完成
SUBSCRIBE	8	Client 到 Broker	Client 请求订阅
SUBACK	9	Broker 到 Client	订阅确认
UNSUBSCRIBE	10	Client 到 Broker	Client 请求取消订阅
UNSUBACK	11	Broker 到 Client	取消订阅确认
PINGREQ	12	Client 到 Broker	PING 请求
PINGRESP	13	Broker 到 Client	PING 应答
DISCONNECT	14	Client 到 Broker	Client 主动中断连接
Reserved	15	不可用	保留位

低4位Bit则用于表示数据包的Flag，不同的数据包类型，Flag的定义不同，每种数据包对应的Flag如下：

数据包	标识位	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
CONNECT	保留位	0	0	0	0
CONNACK	保留位	0	0	0	0
PUBLISH	MQTT 3.1.1 使用	DUP	QoS	QoS	RETAIN
PUBACK	保留位	0	0	0	0
PUBREC	保留位	0	0	0	0
PUBREL	保留位	0	0	0	0
PUBCOMP	保留位	0	0	0	0
SUBSCRIBE	保留位	0	0	0	0
SUBACK	保留位	0	0	0	0
UNSUBSCRIBE	保留位	0	0	0	0
UNSUBACK	保留位	0	0	0	0
PINGREQ	保留位	0	0	0	0
PINGRESP	保留位	0	0	0	0
DISCONNECT	保留位	0	0	0	0

从固定头的第2字节开始是用于表示MQTT数据包剩余长度的字段，**最少一个字节，最大四个字节。每一个字节的低7位用于标识值，范围为0~127。最高的1位是标识位，用来说明是否有后续字节来标识长度。**标识为0，代表没有后续字节；标识为1，代表后续还有一个字节用于标识包的长度。MQTT协议相应字节数对应的最小、最大包长度如下表所示：

字节数	最小包长度（除固定头外）	最大包长度（除固定头外）
1	0字节（0x00）	127字节（0x7F）
2	128字节（0x80,0x01）	16 383字节（0xFF,0x7F）
3	16 384字节（0x80,0x80,0x01）	2 097 151字节（0xFF,0xFF,0x7F）
4	2 097 152字节（0x80,0x80,0x80,0x01）	268 435 455字节（0xFF,0xFF,0xFF,0x7F）

可知MQTT协议中数据包（除固定头外）的最大长度为268435455 字节，约 256M。

注意：上述的剩余长度不包含固定头的大小，是指后面的可变报文头加消息体的总长度

4.2. 可变头

可变报文头主要包含协议名、协议版本、连接标志（Connect Flags）、心跳间隔时间（Keep Alive timer）、连接返回码（Connect Return Code）、主题名（Topic Name）等，后面会针对此部分进行具体讲解。

4.3. 消息体

当MQTT发送的消息类型是CONNECT（连接）、PUBLISH（发布）、SUBSCRIBE（订阅）、SUBACK（订阅确认）、UNSUBSCRIBE（取消订阅）时，则会带有负荷。

5. 发布订阅实验演示

本实验中演示使用的Broker是mosquitto，mosquitto具体的安装步骤不再阐述，可自行搜索安装教程。下面按照[MQTT 协议的通信模型](#MQTT 协议的通信模型)中所提到的流程对发布和订阅这种模式进行一个直观的演示：

• 第一步：启动Broker

• 第二步：subscriber订阅相应的Topic

​ 如图所示，通过mosquitto_sub命令向Broker订阅了名为test的Topic，运行Broker的终端界面也打印了相关的 订阅信息。

• 第三步：publisher发布相应Topic的消息

如图所示，通过mosquitto_pub命令向主题名为test的发布了两条消息，这时候订阅方（即运行mosquitto_sub命令的终端页面）收到了发布的消息。Broker输出的信息为处理的过程：

1. publisher连接到Broker
2. Broker回复了一个CONNACK数据包给publisher
3. Broker从publisher那收到了PUBLISH数据包
4. Broker将其PUBLISH数据包转发给subscriber
5. Broker收到了publisher发来的DISCONNECT数据包，然后断开了连接。

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