MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），是一種基于發布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級"通訊協議，該協議構建于 TCP/IP 協議上，由 IBM 在 1999 年發布。

簡述

MQTT 最大優點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。

作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

MQTT 是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議。MQTT 協議是輕量、簡單、開放和易于實現的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。

在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯網（IoT）。

其在，通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。

設計規范

由于物聯網的環境是非常特別的，所以 MQTT 遵循以下設計原則：

精簡，不添加可有可無的功能；

發布/訂閱（Pub/Sub）模式，方便消息在傳感器之間傳遞；

允許用戶動態創建主題，零運維成本；

把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；

把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在內；

支持連續的會話控制；

理解客戶端計算能力可能很低；

提供服務質量管理；

假設數據不可知，不強求傳輸數據的類型與格式，保持靈活性。

主要特性

MQTT 協議工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議。

它具有以下主要的幾項特性：

①使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合。

這一點很類似于 XMPP，但是 MQTT 的信息冗余遠小于 XMPP，,因為 XMPP 使用 XML 格式文本來傳遞數據。

②對負載內容屏蔽的消息傳輸。

③使用 TCP/IP 提供網絡連接。

主流的 MQTT 是基于 TCP 連接進行數據推送的，但是同樣有基于 UDP 的版本，叫做 MQTT-SN。這兩種版本由于基于不同的連接方式，優缺點自然也就各有不同了。

④有三種消息發布服務質量：

"至多一次"，消息發布完全依賴底層 TCP/IP 網絡。會發生消息丟失或重復。這一級別可用于如下情況，環境傳感器數據，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久后還會有第二次發送。

這一種方式主要普通 APP 的推送，倘若你的智能設備在消息推送時未聯網，推送過去沒收到，再次聯網也就收不到了。

"至少一次"，確保消息到達，但消息重復可能會發生。

"只有一次"，確保消息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別。在計費系統中，消息重復或丟失會導致不正確的結果。

這種最高質量的消息發布服務還可以用于即時通訊類的APP的推送，確保用戶收到且只會收到一次。

⑤小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是 2 字節），協議交換最小化，以降低網絡流量。

這就是為什么在介紹里說它非常適合"在物聯網領域，傳感器與服務器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協議來傳遞消息再適合不過了。

⑥使用 Last Will 和 Testament 特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。

Last Will：即遺言機制，用于通知同一主題下的其他設備發送遺言的設備已經斷開了連接。

Testament：遺囑機制，功能類似于 Last Will。

MQTT 協議原理

MQTT 協議實現方式

實現 MQTT 協議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT 協議中有三種身份：

發布者（Publish）

代理（Broker）（服務器）

訂閱者（Subscribe）

其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發布者可以同時是訂閱者。

MQTT 傳輸的消息分為主題（Topic）和負載（payload）兩部分：

Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）后，就會收到該主題的消息內容（payload）。

payload，可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

網絡傳輸與應用消息

MQTT 會構建底層網絡傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于字節流的雙向傳輸。

當應用數據通過 MQTT 網絡發送時，MQTT 會把與之相關的服務質量（QoS）和主題名（Topic）相關連。

MQTT 客戶端

一個使用 MQTT 協議的應用程序或者設備，它總是建立到服務器的網絡連接。

客戶端可以：

發布其他客戶端可能會訂閱的信息

訂閱其它客戶端發布的消息

退訂或刪除應用程序的消息

斷開與服務器連接

MQTT 服務器

MQTT 服務器以稱為"消息代理"（Broker），可以是一個應用程序或一臺設備。

它是位于消息發布者和訂閱者之間，它可以：

接受來自客戶的網絡連接

接受客戶發布的應用信息

處理來自客戶端的訂閱和退訂請求

向訂閱的客戶轉發應用程序消息

MQTT 協議中的訂閱、主題、會話

①訂閱（Subscription）：訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯。

一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

②會話（Session）：每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態交互。

會話存在于一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。

③主題名（Topic Name）：連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。

④主題篩選器（Topic Filter）：一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。

⑤負載（Payload）：消息訂閱者所具體接收的內容。

MQTT 協議中的方法

MQTT 協議中定義了一些方法（也被稱為動作），來于表示對確定資源所進行操作。

這個資源可以代表預先存在的數據或動態生成數據，這取決于服務器的實現。通常來說，資源指服務器上的文件或輸出。

主要方法有：

Connect。等待與服務器建立連接。

Disconnect。等待 MQTT 客戶端完成所做的工作，并與服務器斷開 TCP/IP 會話。

Subscribe。等待完成訂閱。

UnSubscribe。等待服務器取消客戶端的一個或多個 topics 訂閱。

Publish。MQTT 客戶端發送消息請求，發送完成后返回應用程序線程。

MQTT 協議數據包結構

在 MQTT 協議中，一個 MQTT 數據包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構成。

MQTT 數據包結構如下：

固定頭（Fixed header）。存在于所有 MQTT 數據包中，表示數據包類型及數據包的分組類標識。

可變頭（Variable header）。存在于部分 MQTT 數據包中，數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。

消息體（Payload）。存在于部分 MQTT 數據包中，表示客戶端收到的具體內容。

MQTT 固定頭

固定頭存在于所有 MQTT 數據包中，其結構如下：

①MQTT 數據包類型

位置：Byte 1中bits 7-4。

相于一個 4 位的無符號值，類型、取值及描述如下：

②標識位

位置：Byte 1 中 bits 3-0。

在不使用標識位的消息類型中，標識位被作為保留位。如果收到無效的標志時，接收端必須關閉網絡連接：

DUP：發布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設置為1，則在下面的變長中增加 MessageId，并且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測消息重復發送。

QoS：發布消息的服務質量，即：保證消息傳遞的次數：

?00：最多一次，即：<=1 ?01：至少一次，即：>=1 ?10：一次，即：=1 ?11：預留

RETAIN：發布保留標識，表示服務器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現，就把這消息推送給它，如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。

③剩余長度（Remaining Length）

地址：Byte 2。

固定頭的第二字節用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節是可以擴展，其保存機制，前 7 位用于保存長度，后一部用做標識。

當最后一位為 1 時，表示長度不足，需要使用二個字節繼續保存。例如：計算出后面的大小為 0。

MQTT 可變頭

MQTT 數據包中包含一個可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間。可變頭的內容因數據包類型而不同，較常的應用是作為包的標識：

很多類型數據包中都包括一個 2 字節的數據包標識字段，這些類型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

Payload 消息體

Payload 消息體位 MQTT 數據包的第三部分，包含 CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE 四種類型的消息：

CONNECT，消息體內容主要是：客戶端的 ClientID、訂閱的 Topic、Message 以及用戶名和密碼。

SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及 QoS。

SUBACK，消息體內容是服務器對于 SUBSCRIBE 所申請的主題及 QoS 進行確認和回復。

UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。

責任編輯：xj

原文標題：MQTT協議開發入門

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