MQTT简介

        MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。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。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

        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，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，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。

其主要特点包括：

1.轻量级的 machine-to-machine通信协议；

2.publish/subscribe模式；

3.基于TCP/IP；

4.支持质量等级QoS；

5.适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备、CPU内存资源紧张。

        运用MQTT协议，设备可以很方便地连接到物联网云服务，管理设备并处理数据，最后应用到各种业务场景中。同时MQTT也是一种比较不错的Android消息推送方案，FacebookMessenger就是采用了MQTT。可以说MQTT是物联网中最有潜力的网络协议之一。

发布/订阅模式

        与请求/回答这种同步模式不同，发布/定义模式解耦了发布消息的客户（发布者）与订阅消息的客户（订阅者）之间的关系，这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。

        换一种类比，请求/回答模式是一种同步模式，请求方会一直等待应答方的回复；而发布/订阅模式是一种异步的模式，这种设计模式的好处为：

1.发布者与订阅者不必了解彼此，只要认识同一个消息代理即可；

2.发布者和订阅者不需要交互，发布者无需等待订阅者确认而导致锁定；

3.发布者和订阅者不需要同时在线，可以自由选择时间来消费消息；

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

（1）精简，不添加可有可无的功能；

（2）发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；

（3）允许用户动态创建主题，零运维成本；

（4）把传输量降到最低以提高传输效率；

（5）把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；

（6）支持连续的会话控制；

（7）理解客户端计算能力可能很低；

（8）提供服务质量管理；

（9）假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

 MQTT协议实现方式

        实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，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：

（1）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）；

（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

 网络传输与应用消息

        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协议中的订阅、主题、会话

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）负载（Payload）消息订阅者所具体接收的内容。

MQTT协议数据包结构

固定头

        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：

（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。

（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。

（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。

        MQTT的固定头部，使用两个字节，共16位。

（1）其中byte1中bits 7-4为消息类型，使用4位二进制表示，可代表16种消息类型，除去0和15位置属于保留待用，共14种消息事件类型。

消息类型

（2）byte1，bit3为 DUP flag（打开标志）保证消息可靠传输，默认为0，只占用一个字节，表示第一次发送。不能用于检测消息重复发送等。只适用于客户端或服务器端尝试重发PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息，注意需要满足以下条件：

当QoS > 0，消息需要回复确认。

当值为1时，表示当前消息先前已经被传送过。

（3）byte1，bits2-1为QoS (Quality of Service,服务质量)

QoS

（3）RETAIN：byte1，bit0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（只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送），如果没有那么推送至当前订阅者后释放。

（4）地址：byte2，剩余长度不包括用于编码剩余长度的字节。剩余长度使用可变长度编码方案进行编码，该方案使用单个字节表示最大值为127.较大的值按如下方式处理。每个字节的最低有效7位对数据进行编码，最高有效位用于指示表示中有后续字节。因此，每个字节编码128个值和“连续位”。“剩余长度”字段中的最大字节数为四。

        MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头包含以下顺序字段：主题名称(topic name)，数据包标识符(packet identifier)。

        主题名称标识有效数据发布的信息通道。

        数据包标识符字段仅出现在QoS级别为1或2的PUBLISH数据包中。

        很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH(QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

        Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：

（1）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。

（2）SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。

（3）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。

（4）UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。