MQTT--快速入门

1、什么是MQTT

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议） ，是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上。MQTT最大优点在于，可以以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。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的。
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2、MQTT协议特性

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：
（1）开放消息协议，简单易实现。
（2）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
（3）对负载（协议携带的应用数据）内容屏蔽的消息传输。
（4）基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。
（5）消息服务质量（QoS）支持，可靠传输保证；
有三种消息发布服务质量：

QoS0：“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。
QoS1：“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
QoS2：“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

（6）1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。
（7）在线状态感知：使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。 Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备，发送遗言的设备已经断开了连接。 Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will

3、MQTT协议原理

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。

3.1 发布/订阅、主题、会话

订阅者(Subscriber) 会向消息服务器(Broker) 订阅一个主题(Topic) 。成功订阅后，消息服务器会将该主题下的消息转发给所有的订阅者。
主题(Topic)以 ‘/’ 为分隔符区分不同的层级。包含通配符 ‘+’ 或 ‘#’ 的主题又称为主题过滤器(Topic Filters); 不含通配符的称为主题名(Topic Names)
发布者(Publisher)只能向 ‘主题名’ 发布消息，订阅者(Subscriber) 则可以通过订阅 ‘主题过滤器’ 来通配多个主题名称。
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

3.2 MQTT协议中的方法

（1）CONNECT：客户端连接到服务器
（2）CONNACK：连接确认
（3）PUBLISH：发布消息
（4）PUBACK：发布确认
（5）PUBREC：发布的消息已接收
（6）PUBREL：发布的消息已释放
（7）PUBCOMP：发布完成
（8）SUBSCRIBE：订阅请求
（9）SUBACK：订阅确认
（10）UNSUBSCRIBE：取消订阅
（11）UNSUBACK：取消订阅确认
（12）PINGREQ：客户端发送心跳
（13）PINGRESP：服务端心跳响应
（14）DISCONNECT：断开连接
（15）AUTH：认证

3.3 MQTT协议数据包结构

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。MQTT数据包结构如下：
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（1）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，如连接，发布，订阅，心跳等。其中固定头是必须的，所有类型的MQTT协议中，都必须包含固定头。
（2）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。可变头部不是可选的意思，而是指这部分在有些协议类型中存在，在有些协议中不存在。
（3）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。与可变头一样，在有些协议类型中有消息内容，有些协议类型中没有消息内容

4、MQTT工作流程

1、客户端使用 TCP/IP 协议与 Broker 建立连接，可以选择使用 TLS/SSL 加密来实现安全通信。客户端提供认证信息，并指定会话类型（Clean Session 或 Persistent Session）。
2、客户端既可以向特定主题发布消息，也可以订阅主题以接收消息。当客户端发布消息时，它会将消息发送给 MQTT Broker；而当客户端订阅消息时，它会接收与订阅主题相关的消息。
3、MQTT Broker 接收发布的消息，并将这些消息转发给订阅了对应主题的客户端。它根据 QoS 等级确保消息可靠传递，并根据会话类型为断开连接的客户端存储消息。

总结

MQTT协议作为一种轻量级的消息传输协议，凭借其高效、可靠的特性，广泛应用于物联网和远程设备通信中。其基于发布/订阅模式的设计，使得设备之间的消息传递更加灵活，降低了应用程序之间的耦合度。通过支持多种消息服务质量（QoS）级别，MQTT能够满足不同场景下的可靠性需求。此外，MQTT的低开销特性和在线状态感知机制，使其在带宽受限和不稳定的网络环境中表现出色。随着物联网的快速发展，MQTT协议将继续发挥重要作用，推动智能设备的互联互通。