MQTT理解

随着移动互联网普及，物联网（Internet of Things，IoT）也越来越流行。虽然HTTP是网页标准，不过机器之间（Machine-to-Machine，M2M）的大规模沟通需要不同的模式：之前的请求/回答（Request/Response）模式不再合适，取而代之的是发布/订阅（Publish/Subscribe）模式。这就是轻量级、可扩展的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）可以施展拳脚的舞台。

MQTT简介

MQTT是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议，最早由IBM提出的，如今已经成为OASIS规范。由于规范很简单，非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景，比如：

• 遥感数据
• 汽车
• 智能家居
• 智慧城市
• 医疗医护
  由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

1. 精简，不添加可有可无的功能。
2. 发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递。
3. 允许用户动态创建主题，零运维成本。
4. 把传输量降到最低以提高传输效率。
5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
6. 支持连续的会话控制。
7. 理解客户端计算能力可能很低。
8. 提供服务质量管理。
9. 假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

运用MQTT协议，设备可以很方便地连接到物联网云服务，管理设备并处理数据，最后应用到各种业务场景，如下图所示：

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发布/订阅模式

与请求/回答这种同步模式不同，发布/定义模式解耦了发布消息的客户（发布者）与订阅消息的客户（订阅者）之间的关系，这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。打个比方，你打电话给朋友，一直要等到朋友接电话了才能够开始交流，是一个典型的同步请求/回答的场景；而给一个好友邮件列表发电子邮件就不一样，你发好电子邮件该干嘛干嘛，好友们到有空了去查看邮件就是了，是一个典型的异步发布/订阅的场景。

熟悉编程的同学一定非常熟悉这种设计模式了，因为它带来了这些好处：

• 发布者与订阅者不比了解彼此，只要认识同一个消息代理即可。
• 发布者和订阅者不需要交互，发布者无需等待订阅者确认而导致锁定。
• 发布者和订阅者不需要同时在线，可以自由选择时间来消费消息。

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。主题并不需要创建，直接使用就是了。

主题还可以通过通配符进行过滤。其中，+可以过滤一个层级，而*只能出现在主题最后表示过滤任意级别的层级。举个例子：

• building-b/floor-5：代表B楼5层的设备。
• +/floor-5：代表任何一个楼的5层的设备。
• building-b/*：代表B楼所有的设备。
  注意，MQTT允许使用通配符订阅主题，但是并不允许使用通配符广播。

消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型：

1. CONNECT：客户端连接到MQTT代理
2. CONNACK：连接确认
3. PUBLISH：新发布消息
4. PUBACK：新发布消息确认，是QoS 1给PUBLISH消息的回复
5. PUBREC：QoS 2消息流的第一部分，表示消息发布已记录
6. PUBREL：QoS 2消息流的第二部分，表示消息发布已释放
7. PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分，表示消息发布完成
8. SUBSCRIBE：客户端订阅某个主题
9. SUBACK：对于SUBSCRIBE消息的确认
10. UNSUBSCRIBE：客户端终止订阅的消息
11. UNSUBACK：对于UNSUBSCRIBE消息的确认
12. PINGREQ：心跳
13. PINGRESP：确认心跳
14. DISCONNECT：客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理

服务质量QoS等级

MQTT设计了一套保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传。在这套机制下，提供了三种不同层次QoS（Quality of Service）：

• QoS0，At most once，至多一次；
• QoS1，At least once，至少一次；
• QoS2，Exactly once，确保只有一次。

QoS 是消息的发送方（Sender）和接受方（Receiver）之间达成的一个协议：

• QoS0 代表，Sender 发送的一条消息，Receiver 最多能收到一次，也就是说 Sender 尽力向 Receiver 发送消息，如果发送失败，也就算了；
• QoS1 代表，Sender 发送的一条消息，Receiver 至少能收到一次，也就是说 Sender 向 Receiver 发送消息，如果发送失败，会继续重试，直到 Receiver 收到消息为止，但是因为重传的原因，Receiver 有可能会收到重复的消息；
• QoS2 代表，Sender 发送的一条消息，Receiver 确保能收到而且只收到一次，也就是说 Sender 尽力向 Receiver 发送消息，如果发送失败，会继续重试，直到 Receiver 收到消息为止，同时保证 Receiver 不会因为消息重传而收到重复的消息。

注意：
QoS是Sender和Receiver之间的协议，而不是Publisher和Subscriber之间的协议。换句话说，Publisher发布了一条QoS1的消息，只能保证Broker能至少收到一次这个消息；而对于Subscriber能否至少收到一次这个消息，还要取决于Subscriber在Subscibe的时候和Broker协商的QoS等级。

QoS0

QoS0等级下，Sender和Receiver之间一次消息的传递流程如下：

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Sender向Receiver发送一个包含消息数据的PUBLISH包，然后不管结果如何，丢掉已发送的PUBLISH包，一条消息的发送完成。

QoS1

QoS1要保证消息至少到达一次，所以有一个应答的机制。Sender和Receiver的一次消息的传递流程如下：

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1. Sender向Receiver发送一个带有数据的PUBLISH包，并在本地保存这个PUBLISH包；
2. Receiver收到PUBLISH包以后，向Sender发送一个PUBACK数据包，PUBACK数据包没有消息体（Payload），在可变头中有一个包标识（Packet Identifier），和它收到的PUBLISH包中的Packet Identifier一致。
3. Sender收到PUBACK之后，根据PUBACK包中的Packet Identifier找到本地保存的PUBLISH包，然后丢弃掉，一次消息的发送完成。

但是消息传递流程中可能会出现问题：

1. 如果Sender在一段时间内没有收到PUBLISH包对应的PUBACK，它将该PUBLISH包的DUP标识设为1（代表是重新发送的PUBLISH包），然后重新发送该PUBLISH包。
2. Receiver可能会重复收到消息，需自行去重。

QoS2

相比QoS0和QoS1,QoS2不仅要确保Receiver能收到Sender发送的消息，还需要确保消息不重复。它的重传和应答机制就要复杂一些，同时开销也是最大的。QoS2下，一次消息的传递流程如下所示：

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1. Sender发送QoS为2的PUBLISH数据包，数据包 Packet Identifier 为 P，并在本地保存该PUBLISH包；
2. Receiver收到PUBLISH数据包后，在本地保存PUBLISH包的Packet Identifier P，并回复Sender一个PUBREC数据包，PUBREC数据包可变头中的Packet Identifier为P，没有消息体（Payload）；
3. 当Sender收到PUBREC，它就可以安全的丢弃掉初始Packet Identifier为P的PUBLISH数据包。同时保存该PUBREC数据包，并回复Receiver一个PUBREL数据包，PUBREL数据包可变头中的Packet Identifier为P，没有消息体；
4. 当Receiver收到PUBREL数据包，它可以丢掉保存的PUBLISH包的Packet Identifier P，并回复Sender一个可变头中 Packet Identifier 为 P，没有消息体（Payload）的PUBCOMP数据包；
5. 当Sender收到PUBCOMP包，那么认为传输已完成，则丢掉对应的PUBREC数据包；

上面是一次完整无误的传输过程，然而传输过程中可能会出现以下情况：

• 情况1：Sender发送PUBLISH数据包给Receiver的时候，发送失败；
• 情况2：Sender已经成功发送PUBLISH数据包给Receiver了，但是Receiver发送PUBREC数据包失败；
• 情况3：Sender已经成功收到了PUBREC数据包，但是PUBREL数据包发送失败；
• 情况4：Receiver已经收到了PUBREL数据包，但是发送PUBCOMP数据包时发送失败

针对上述的问题，较为详细的处理方法如下：

• 不管是情况1还是情况2，因为Sender在一定时间内没有收到PUBREC，那么它会把PUBLISH包的DUP标识设为1，重新发送该PUBLISH数据包；
• 不管是情况3还是情况4，因为Sender在一定时间内没有收到PUBCOMP包，那么它会重新发送PUBREL数据包；
• 针对情况2，Receiver可能会收到多个重复的PUBLISH包，更加完善的处理如下：
  Receiver在收到PUBLISH数据包之后，马上回复一个PUBREC数据包。并会在本地保存PUBLISH包的Packet Identifier P，不管之后因为重传多少次这个Packet Identifier 为P的数据包，Receiver都认为是重复的，丢弃。同时Receiver接收到QoS为2的PUBLISH数据包后，并不马上投递给上层，而是在本地做持久化，将消息保存起来（这里需要是持久化而不是保存在内存）。
• 针对情况4，更加完善的处理如下：
  Receiver收到PUBREL数据包后，正式将消息递交给上层应用层，投递之后销毁Packet Identifier P，并发送PUBCOMP数据包，销毁之前的持久化消息。之后不管接收到多少个PUBREL数据包，因为没有Packet Identifier P，直接回复PUBCOMP数据包即可。