C#MQTT编程01--MQTT介绍

1、前言

        近年来物联网的发展如火如荼已经渗透到我们生活的方方面面。从智能家居到工业自动化从智慧城市到智慧农业物联网，正在以前所未有的速度改变着我们的生活。 大家现在可能已经习惯了通过手机控制家里的灯光、空调和电视，这就是物联网在智能家居领域的应用，如果在10年前看到这种设备的应用肯定觉得很牛批，而现在只要是个设备都能上云这种家电设备的远程控制，已经成了大家习以为常的配置了。而在工业领域物联网技术可以帮助企业实现自动化生产、设备监控和预防性维护提高生产效率和产品质量。在智慧城市建设中物联网技术可以用于交通管理、环境监测和公共安全等方面提升城市管理和居民生活的质量。 在物联网、工业互联网，智慧城市，智能家居、远程设备、智能制造、移动应用等方面的广泛应用，物联网通讯是物联网的一个核心内容，目前物联网的通讯协议并没有一个统一的标准，比较常见的有MQTT、 CoAP 、 DDS 、 XMPP 等，其中， MQTT 是应用最广泛的标准之一。

MQTT协议应用示例之一

 

2、MQTT协议简介

        通信协议MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的通信协议，被广泛应用于物联网和分布式系统中。它以其简单、可靠和高效的特性而备受推崇，成为连接设备和应用程序的首选协议。MQTT的重要性不言而喻，它为实时通信提供了可靠的解决方案，使得设备之间的数据交换和控制变得更加便捷。 MQTT广泛应用于工业物联网、智能家居、各类智能制造或各类自动化场景等。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，MQTT协议由于其用极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，具有开销低、占用带宽低、即时通讯等优点，它具有以下主要特性：

1. 发布/订阅模式：MQTT采用发布/订阅模式，其中消息发布者（Publisher）将消息发布到特定的主题（Topic），而订阅者（Subscriber）通过订阅特定的主题来接收消息。

2. 主题（Topic）：主题是MQTT消息的分类标识，类似于消息的目的地。发布者将消息发布到特定的主题，而订阅者通过订阅特定的主题来接收与该主题相关的消息。

3. 消息质量等级（QoS）：MQTT定义了三个消息质量等级：QoS 0（最多一次）、QoS 1（至少一次）和QoS 2（只有一次）。发布者和订阅者可以根据需求选择适当的QoS级别。

4. 保留消息（Retained Message）：发布者可以选择发布一个保留消息，该消息将被存储在MQTT代理服务器上，并在有订阅者订阅该主题时发送给订阅者。

5. 遗嘱消息（Will Message）：发布者可以设置一个遗嘱消息，当发布者异常断开连接时，MQTT代理服务器会将遗嘱消息发送给订阅者。

6. 连接和会话：MQTT客户端通过与MQTT代理服务器建立连接来进行通信。客户端可以选择保持连接以维护会话状态，并在重新连接时恢复之前的会话。

7. 低带宽和资源消耗：MQTT协议设计为轻量级，具有较低的带宽和资源消耗。它适用于低带宽和不稳定的网络环境，如物联网设备和传感器网络。

       
     MQTT是IBM开发的即时通讯协议，物联网通信的主流协议之一。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和制动器的通信协议。MQTT协议的底层是基于TCP/IP协议。 

       以下几张图说明MQTT的角色地位： 

 

3、MQTT协议原理 

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，也就是说它是一种客户端/服务器模型，即CS模型，在通信过程中，一个是服务器，一个是客户端，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）、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，也就是说客户端可以是订阅者，也可以是发布者，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），服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。
Payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体想要的内容。

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输，当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，那么作为客户端可以：

• 发布其他客户端订阅的信息；
• 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服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它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。

 它们的组成示意图：

发布订阅模式（Publish-Subscribe Pattern）是一种消息传递模式，它将发送消息的客户端（发布者）与接收消息的客户端（订阅者）解耦，使得两者不需要建立直接的联系也不需要知道对方的存在。

MQTT发布/订阅模式的精髓在于由一个被称为代理（Broker）的中间角色负责所有消息的路由和分发工作，发布者将带有主题的消息发送给代理，订阅者则向代理订阅主题来接收感兴趣的消息。

• 发布者（Publisher）

负责将消息发布到主题上，发布者一次只能向一个主题发送数据，发布者发布消息时也无需关心订阅者是否在线。

• 订阅者（Subscriber）

订阅者通过订阅主题接收消息，且可一次订阅多个主题。MQTT还支持通过共享订阅的方式在多个订阅者之间实现订阅的负载均衡。

• 代理（Broker）

负责接收发布者的消息，并将消息转发至符合条件的订阅者。另外，代理也需要负责处理客户端发起的连接、断开连接、订阅、取消订阅等请求。

4、MQTT协议结构

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）：存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
可变头（Variable header）：存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
消息体（Payload）：存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

本系列博客文章就以C#作为开发语言，一步步紧致如初地分析MQTT协议，以实现应用层软件开发，让屌丝逆袭飞起来。