网络协议之MQTT协议

定义

MQTT（Message Queue Telemetry Transport 消息队列遥测传输协议）：基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议之上。

MQTT运行于TCP之上，属于应用层协议。

特点与应用场合

特点：

1. 特别适合于网络代价昂贵，带宽低、不可靠的环境。
2. 能在处理器和内存资源有限的嵌入式设备中运行。
3. 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，从而解除应用程序耦合。
4. 使用 TCP/IP 提供网络连接。
5. 提供Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

应用场合：
通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

协议术语

MQTT客户端
一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。
客户端可以：

发布其他客户端可能会订阅的信息
订阅其它客户端发布的消息
退订或删除应用程序的消息
断开与服务器连接

MQTT服务器
MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

接受来自客户的网络连接
接受客户发布的应用信息
处理来自客户端的订阅和退订请求
向订阅的客户转发应用程序消息

发布（publish）

控制报文是指从客户端向服务端或者服务端向客户端传输一个应用消息，MQTT 客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程

订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

会话（Session）

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

主题名（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容

协议数据包结构

每条MQTT命令消息的消息头都包含一个固定的报头，有些消息会携带一个可变报文头和一个负荷。消息格式如下：

固定报文头|可变报文头|负荷

1、 固定报文头（Fixed Header）
最少有两个字节，第一个字节包含消息的类型（Message Type）和QoS级别等标志位。第二个字节开始是剩余长度字节，该长度是后面的可变报文头加消息负载的总长度，该字段最多允许四个字节。其中MQTT协议规定，单个字节的最高位如果是1，表示后续还有字节存在，第八位起延续位的作用。所以能发送的最大消息长度是256MB，而不是512MB。

固定报文整体结构：

数据包类型（第一个字节的前4位）：

标识位（第一个字节的后4位）：

DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为 1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。
QoS：发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数

消息质量有三个等级，QoS 0（00）、Qos 1（01）、Qos 2（10）：
00：最多一次，即：<=1；
消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络，协议里没有定义应答和重试。消息只会到达服务端一次，要么就没到达。
01：至少一次，即：>=1；
服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或设备异常，或指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了Dup位的消息。
10：一次，即：=1；
最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。
11：预留

RETAIN： 发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果没有那么推送至当前订阅者后释放。

2、 可变报文头（Variable Header）
主要包含协议名，协议版本，连接标志，心跳间隔时间，连接返回码，主题名等。

3、 有效负荷
实际上可以理解为消息的主体。当MQTT发送的消息类型是CONNECT（连接）、PUBLISH（发布）、SUBSCRIBE（订阅）、SUBACK（订阅确认）、UBSUNSCRIBE（取消订阅）时会带有负荷。
CONNECT，消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
SUBACK，消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。

实现方式

实现MQTT协议需要：客户端和服务器端
MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分
Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）
payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容