MQTT物联网通信协议概论

实时通信协议是物联网技术中的一项根本性技术，在数据的有效传输、及时通信方面不可或缺，在物联网领域发挥着至关重要的作用，因此物联网通信协议的制定至关重要。目前物联网设备广泛使用的有四大实时协议XMPP、REST/HTTP、CoAP以及MQTT。XMPP是一种基于标准通用标记语言的子集XML的协议，它继承了在XML环境中灵活的发展性，但对于嵌入式设备来说，解析非常困难；REST (Representational State Transfe)是一种架构风格，即表述性状态传递，它基于HTTP定义了一组约束和属性，适用于web服务，在物联网方面主要被应用于基于HTTP web服务的转化，但对于嵌入式设备而言，目前很多物联网接入设备大多属于资源受限型设备，只拥有有限的计算能力和有限的存储空间，故相比较而言REST/HTTP属于重量级协议；由于物联网中的很多设备属于资源受限型，The Internet Engineering Task Force (IETF)提出了一种基于REST架构的CoAP协议，Constrained Application Protocol (CoAP) 是一种针对受限设备的专用Internet应用协议，CoAP是一种应用层协议，它运行于UDP协议之上，但是一对一的协议；MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 消息队列遥测传输，是由IBM公司主导开发的物联网及时通信协议。MQTT是为大量计算能力有限的设备所设计的，使得设备工作在低带宽、不可靠网络的环境时，能够有效地进行网络数据交互，进而使得远程传感器和控制设备能够与服务器及时通讯，故本文选作MQTT协议作为本次物联网平台的通讯协议。

MQTT协议阐述

MQTT协议由IBM主导开发的一种轻量级基于客户端-服务器的消息发布/订阅模式的消息传输协议，同时MQTT协议基于TCP协议，其运行在TCP长连接的基础上，为网络设备提供有序、可靠、双向连接的网络连接保障。作为广泛的使用物联网通讯协议，MQTT具有以下几项重要特性：

(1)轻量级

因为物联网设备的特殊性，为了保证数据在低带宽、不可靠的网络中传输有效的数据，故MQTT协议的设计原则是精简，不添加可有可无的功能，以保证协议的轻便性，因此MQTT协议头部协议字段2只有两字节，尽量保持轻量级的特性。

(2)支持发布(PUBLISH)/订阅(SUBSCRIBE)模式

使用发布/订阅模式解除了通信设备终端之间的耦合，解耦方式可以从多个方面进行加以区分，主要有空间解耦、时间解耦和同步解耦。空间解耦：支持一对多、多对一、多对多的消息传递，发布者设备与订阅者设备彼此相互独立，消息发布者与订阅者不知道彼此任何相关信息就可以实现数据交互，比如对方的IP地址和端口，方便了消息在设备之间的传递；时间解耦：发布者和订阅者无需同时运行；同步解耦：在设备消息发布或接收期间，消息发布者与订阅者的其他操作不会暂停。

(3)提供三种级别Qos消息传递类型

当Qos值为0时，为最多传输一次(At most once delivery)，此种传输方式中，发送方不需要收到服务器回应，消息可能到达服务器一次，或可能根本不会到达此种传输方式属于允许消息丢失场景，性能最高；当Qos值为1时，发送放至少发送一次(At least once delivery)，以确保消息到达接收方，接收方需要返回确认消息，在此情况下，接受方可能会接收到重复消息，即适合不允许消息丢失，但允许消息重复的场景，性能中等。当Qos值为2时，消息体只到达一次并且保证消息送达(Exactly once delivery)。为确保响应消息能够到达发送方，接收方必须等待发送方对接受方响应消息的响应，只有收到发送方的确认消息后，接收方才能对订阅者投递消息。

(4)提供遗嘱机制

遗嘱保留主要用于发布态(PUBLISH)的消息，当遗嘱标志（连接标志的第二位）被设置为1，并且遗嘱保留位（连接标志的第五位）被设置为1，服务器端会将此次发送的消息作为遗嘱消息保留发布，即当有新的订阅者出现，服务器会将此消息推送出去。

MQTT控制报文格式

使用MQTT协议，必须严格遵循MQTT控制报文格式来进行通信，MQTT预定义的控制报文格式较为精简，主要由三部分组成：固定报头(Fixed header)、可变报头(Variable header)、有效载荷(Payload)。控制报文结构如图所示。

控制报文结构

固定报头

每个MQTT控制报文都必须携带一个固定报头，固定头部部分占两个字节，共16位。固定报头的控制报文格式如图所示。

控制报文格式

MQTT控制报文类型有14种，依次为CONNECT（客户端请求连接到服务器）、CONACK（连接确认）、PUBLISH（发布消息）、PUBACK（发布确认）、PUBREC（发布初稿）、PUBREL（出版发行）、PUBCOMP（发布完整）、SUBSCRIBE（客户端订阅请求）、SUBACK（订阅确认）、UNSUBSCRIBE（退订请求）、UNSUBACK（退订确认）、PINGREQ（Ping 请求）、PINGRESP（Ping 响应）、DISCONNECT（客户端断开服务器连接）。如图所示。

MQTT控制报文类型

控制报文类型的标志位只有在PUBLISH（发布消息）类型时有效，其他控制报文类型标志位现保留。控制报文类型的标志位重发标志DUP，在固定报头第一字节第3位，如果DUP标志为0，表示这是发送方第一次请求发送的PUBLISH报文，如果值为DUP标志位被设置为1，表示这可能是早期报文请求的重发。控制报文类型的标志位服务质量等级QoS，在固定报头第一字节2-1位，该字段表示消息传递类型。三种消息传递服务质量如图所示。

三种消息传递服务质量

剩余长度字段是从报文段的第二个字节开始，剩余长度字段（Remaining Length）是除固定头部报文段以外的报文段，包括可变报头和负载数据。

可变报头

MQTT报文字段除了必须的固定报头，在某些MQTT控制报文中包含可变报头字段，该报文段根据各报文类型的不同而不同，具体可根据报文标识符识别。在PUBLISH控制报文、PUBACK控制报文、PUBREC控制报文、PUBREL控制报文、PUBCOMP控制报文、SUBSCRIBE控制报文、SUBACK控制报文，UNSUBSCIBE控制报文、UNSUBACK控制报文的可变头部部分都含有一个两字节的可变头部，报文标识符的作用是标识区别报文，当客户端每发送一个新的类型的报文段时，该客户端所发送的报文中必须重新分配新的报文标识符，且新的控制报文标识符必须是当前未使用的报文标识符，而当由于某种原因该客户端需要重新发送该控制报文时，重发的控制报文必须携带与原控制报文的标识符相同的报文标识符。当客户端收到该控制报文的确认信息后，才可释放该报文标识符，即下次发送控制报文时可重用该报文标识符。

有效载荷

有效载荷用于携带应用消息，位于固定首部和可变报头之后，即位于控制报文的最后部分，有效载荷不是每个控制报文必须携带的报文段，但是在CONNECT控制报文、SUBSCRIBE控制报文、SUBACK控制报文、UNSUBSCRIBE控制报文中需要携带，在PUBLISH控制报文中为可选字段，在其他控制报文中不需要携带。CONNECT控制报文段中有效载荷字段内容主要是客户端的ClientID、遗嘱主题，遗嘱消息以及用户名和密码，且必须按此顺序排列。SUBSCRIBE控制报文段中效载荷字段内容是要订阅的主题以及Qos。SUBACK控制报文段中效载荷字段内容是对SUBSCRIBE控制报文所订阅的主题的确认和回复。SUBACK控制报文段中消息体内容是要订阅的主题。

MQTT控制报文

MQTT客户端，即使用MQTT协议通讯的程序或设备，其必须依照MQTT控制报文格式发送MQTT控制报文到服务器端。MQTT共14种不同的控制报文的类型。

CONNECT报文是客户端连接到服务器端发送的第一个报文，并且，在一个网络连接上，客户端只能发送一次CONNECT控制报文，否则服务器将断开该连接，并将该报文做违规处理。CONNECT控制报文的固定报头如图所示。

CONNECT控制报文的固定报头

客户端在成功建立TCP连接之后，发送CONNECT控制报文到服务器，服务器给出确认，客户端收到该确认消息后，会发送SUBSCRIBE控制报文到服务器订阅相应的主题列表，订阅过程中客户端设备至少订阅一个主题。SUBSCRIBE控制报文也会指定Qos服务质量等级，服务器根据该报文发送 PUBLISH报文给客户端。SUBSCRIBE控制报文固定报头格式如图所示。

SUBSCRIBE控制报文固定报头

PUBLISH控制报文是消息推送方推送消息到服务器，或由服务推送消息到相应主题订阅者的应用消息报文。PUBLISH报文固定报头如图2-7所示。第一个字节第三位DUP标志位为重发标志，如果DUP标志位被设置为0，表示这是客户端或服务器端第一次请求发送本报文，如果是重新发送的报文，则DUP标志应设置为1。

PUBLISH报文固定报头