MQTT协议

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什么是MQTT协议?

• MQTT 全称(Message Queue Telemetry Transport)：一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的轻量级通讯协议，通过订阅相应的主题来获取消息，是物联网（Internet of Thing）中的一个标准传输协议。

• 该协议将消息的发布者（publisher）与订阅者（subscriber）进行分离，因此可以在不可靠的网络环境中，为远程连接的设备提供可靠的消息服务，使用方式与传统的MQ有点类似。

• MQTT它只是一种协议，支持MQTT协议的消息中间件产品非常多，下边的也只是其中的一部分

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• TCP协议位于传输层，MQTT 协议位于应用层，MQTT 协议构建于TCP/IP协议上，也就是说只要支持TCP/IP协议栈的地方，都可以使用MQTT协议。

为什么要用 MQTT协议？

MQTT协议为什么在物联网（IOT）中如此受偏爱？而不是其它协议，比如我们更为熟悉的 HTTP协议呢？

• 首先HTTP协议它是一种同步协议，客户端请求后需要等待服务器的响应。而在物联网（IOT）环境中，设备会很受制于环境的影响，比如带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等，显然异步消息协议更为适合IOT应用程序。

• HTTP是单向的，如果要获取消息客户端必须发起连接，而在物联网（IOT）应用程序中，设备或传感器往往都是客户端，这意味着它们无法被动地接收来自网络的命令。

• 通常需要将一条命令或者消息，发送到网络上的所有设备上。HTTP要实现这样的功能不但很困难，而且成本极高。

MQTT协议介绍

前边说过MQTT是一种轻量级的协议，它只专注于发消息， 所以此协议的结构也非常简单。

MQTT数据包

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、 可变头（Variable header）、 消息体（payload）三部分构成。

• 固定头（Fixed header），所有数据包中都有固定头，包含数据包类型及数据包的分组标识。
• 可变头（Variable header），部分数据包类型中有可变头。
• 内容消息体（Payload），存在于部分数据包类，是客户端收到的具体消息内容。

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固定头

• 固定头部，使用两个字节，共16位：

  
  
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  (4-7)位表示消息类型，使用4位二进制表示，可代表如下的16种消息类型，不过 0 和 15位置属于保留待用，所以共14种消息事件类型。

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• DUP Flag（重试标识）

DUP Flag：保证消息可靠传输，消息是否已送达的标识。默认为0，只占用一个字节，表示第一次发送，当值为1时，表示当前消息先前已经被传送过。

• QoS Level（消息质量等级）

消息质量（Quality of Service），即消息的发送质量，发布者（publisher）和订阅者（subscriber）都可以指定qos等级，有QoS 0、QoS 1、QoS 2三个等级。

1. Qos 0：At most once（至多一次）只发送一次消息，不保证消息是否成功送达，没有确认机制，消息可能会丢失或重复。
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2. Qos 1：At least once（至少一次），相对于QoS 0而言Qos 1增加了ack确认机制，发送者（publisher）推送消息到MQTT代理（broker）时，两者自身都会先持久化消息，只有当publisher 或者 Broker分别收到 PUBACK确认时，才会删除自身持久化的消息，否则就会重发。
   但有个问题，尽管我们可以通过确认来保证一定收到客户端 或 服务器的message，可我们却不能保证仅收到一次message，也就是当客户端publisher没收到Broker的puback或者 Broker没有收到subscriber的puback，那么就会一直重发。

publisher -> broker 大致流程：

• publisher store msg -> publish ->broker （传递message）

• broker -> puback -> publisher delete msg （确认传递成功）

  
  
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3. Qos 2：Exactly once（只有一次），相对于QoS 1，QoS 2升级实现了仅接受一次message，publisher 和 broker 同样对消息进行持久化，其中 publisher 缓存了message和 对应的msgID，而 broker 缓存了 msgID，可以保证消息不重复，由于又增加了一个confirm 机制，整个流程变得复杂很多。

publisher -> broker 大致流程：

1. publisher store msg -> publish ->broker -> broker store
2. msgID（传递message） broker -> puberc （确认传递成功）
3. publisher -> pubrel ->broker delete msgID （告诉broker删除msgID）

4. broker -> pubcomp -> publisher delete msg （告诉publisher删除msg）

   
   
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RETAIN（持久化）

• 值为1：表示发送的消息需要一直持久保存，而且不受服务器重启影响，不但要发送给当前的订阅者，且以后新加入的客户端订阅了此Topic，订阅者也会马上得到推送。注意：新加入的订阅者，只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。

• 值为0：仅为当前订阅者推送此消息。

Remaining Length（剩余长度）

• 在当前消息中剩余的byte(字节)数，包含可变头部和消息体payload。

可变头

• 固定头部仅定义了消息类型和一些标志位，一些消息的元数据需要放入可变头部中。可变头部内容字节长度 + 消息体payload = 剩余长度。

• 可变头部居于固定头部和payload中间，包含了协议名称，版本号，连接标志，用户授权，心跳时间等内容。

• 可变头存在于这些类型的消息：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

消息体payload

• 消息体payload只存在于CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE这几种类型的消息：

CONNECT：包含客户端的ClientId、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
PUBLISH：向对应主题发送消息。
SUBSCRIBE：要订阅的主题以及QoS。
SUBACK：服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
UNSUBSCRIBE：取消要订阅的主题。

LWT（最后遗嘱）

LWT 全称为 Last Will and Testament，其实遗嘱是一个由客户端预先定义好的主题和对应消息，附加在CONNECT的数据包中，包括遗愿主题、遗愿 QoS、遗愿消息等。

当MQTT代理 Broker 检测到有客户端client非正常断开连接时，再由服务器主动发布此消息，然后相关的订阅者会收到消息。

举个栗子：聊天室中所有人都订阅一个叫talk的主题 ，但小富由于网络抖动突然断开了链接，这时聊天室中所有订阅主题 talk的客户端都会收到一个 “小富离开聊天室” 的遗愿消息。

• 遗嘱的相关参数：
  Will Flag：是否使用 LWT，1 开启
  Will Topic：遗愿主题名，不可使用通配符
  Will Qos：发布遗愿消息时使用的 QoS
  Will Retain：遗愿消息的 Retain 标识
  Will Message：遗愿消息内容

• 那客户端Client 有哪些场景是非正常断开连接呢？
  Broker 检测到底层的 I/O 异常；
  客户端 未能在心跳 Keep Alive 的间隔内和 Broker 进行消息交互；
  客户端 在关闭底层 TCP 连接前没有发送 DISCONNECT 数据包；
  客户端 发送错误格式的数据包到 Broker，导致关闭和客户端的连接等。

注意：当客户端通过发布 DISCONNECT 数据包断开连接时，属于正常断开连接，并不会触发 LWT 的机制，与此同时Broker 还会丢弃掉当前客户端在连接时指定的相关 LWT 参数。