MQTT系列-基础概念

MQTT 的全称为 Message Queue Telemetry Transport（消息队列遥测传输协议）是在 1999 年由 IBM 的 Andy Stanford-Clark 和 Arcom 的 Arlen Nipper 为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT 协议在设计之初就包含了以下一些特点：

• 实现简单
• 提供数据传输的 QoS
• 轻量、占用带宽低
• 可传输任意类型的数据
• 可保持的会话（session）

之后 IBM 一直将 MQTT 作为一个内部协议在其产品中使用，直到 2010 年，IBM 公开发布了 MQTT 3.1 版本。
在 2014 年，MQTT 协议正式成为了 OASIS（结构化信息标准促进组织）的标准协议。简单地来说MQTT协议具有以下特性：

基于 TCP 协议的应用层协议；

• 采用 C/S 架构；
• 使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接受方解耦；
• 提供 3 种消息的 QoS（Quality of Service）: 至多一次，最少一次，只有一次；
• 收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答。

下文将从以下四个方面对MQTT的基础概念进行介绍：

• MQTT 协议的通信模型
• MQTT Client
• MQTT Broker
• MQTT协议数据包

1. MQTT 协议的通信模型

MQTT 的通信是通过发布/订阅的方式来实现的，订阅和发布又是基于主题（Topic）的。
发布方和订阅方通过这种方式来进行解耦，它们没有直接地连接，它们需要一个中间方。
在 MQTT 里面我们称之为 Broker，用来进行消息的存储和转发。一次典型的 MQTT 消息通信流程如下所示：

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1. 发布方（Publisher）连接到Broker；
2. 订阅方（Subscriber）连接到Broker，并订阅主题Topic1；
3. 发布方（Publisher）发送给Broker一条消息，主题为Topic1；
4. Broker收到了发布方的消息，发现订阅方（Subscriber）订阅了Topic1，然后将消息转发给订阅方（Subscriber）；
5. 订阅方从Broker接收该消息；

MQTT通过订阅与发布模型对消息的发布方和订阅方进行解耦后，发布方在发布消息时并不需要订阅方也连接到Broker，只要订阅方之前订阅过相应主题，那么它在连接到Broker之后就可以收到发布方在它离线期间发布的消息。我们可以称这种消息为离线消息。

在该通信模型中，有两组身份需要区别：

• 一组是发布方Publisher和订阅方Subscriber
• 另一组是发送方Sender和接收方Receiver

1.1. Publisher和Subscriber

publisher和subscriber是相对于Topic来说的身份，如果一个Client向某个Topic发布消息，那么这个Client就是publisher；
如果一个Client订阅了某个Topic，那么它就是Subscriber。

1.2. Sender和Receiver

Sender和Receiver则是相对于消息传输方向的身份。当publisher向Broker发送消息时，那么此时publisher是sender，Broker是receiver；
当Broker转发消息给subscriber时，此时Broker是sender，subscriber是receiver。

2. MQTT Client

Publisher 和 Subscriber 都属于 Client，Publisher 或者 Subscriber 只取决于该 Client 当前的状态——是在发布消息还是在订阅消息。
当然，一个 Client 可以同时是 Publisher 和 Subscriber。
client的范围很广，任何终端、嵌入式设备、服务器只要运行了MQTT的库或者代码，都可以称为MQTT Client。
MQTT Client库很多语言都有实现，可以在这个网址中找到：MQTT Client库大全

3. MQTT Broker

MQTT Broker负责接收Publisher的消息，并发送给相应的Subscriber，是整个MQTT 订阅/发布的核心。
现在很多云服务器提供商都有提供MQTT 服务，比如阿里云、腾讯云等。
当然我们自己也可以搭建一个MQTT Broker

::: tip
常见的MQTT Broker有Eclipse Mosquitto , EMQ X Broker和 HiveMQ等
个人推荐EMQ X Broker，国人开发，开源，自带一个web管理界面，非常方便。
更多客户端和服务端参见：https://github.com/mqtt/mqtt.org/wiki/libraries
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4. MQTT协议数据包

MQTT 协议数据包的消息格式为：固定头|可变头|消息体

由下面三个部分组成：

• 固定头（Fixed header）: 存在于所有的MQTT数据包中，用于表示数据包类型及对应标志、数据包大小等；
• 可变头（Variable header）: 存在于部分类型的MQTT数据包中，具体内容是由相应类型的数据包决定的；
• 消息体（Payload）: 存在于部分的MQTT数据包中，存储消息的具体数据。

4.1. 固定头

固定头格式：

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固定头的第一个字节的高4位Bit用于表示该数据包的类型，MQTT的数据包有以下一些类型：

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4.2. 可变头

可变报文头主要包含协议名、协议版本、连接标志（Connect Flags）、心跳间隔时间（Keep Alive timer）、连接返回码（Connect Return Code）、主题名（Topic Name）等，后面会针对此部分进行具体讲解。

4.3. 消息体

当MQTT发送的消息类型是CONNECT（连接）、PUBLISH（发布）、SUBSCRIBE（订阅）、SUBACK（订阅确认）、UNSUBSCRIBE（取消订阅）时，则会带有负荷。

参考

• https://blog.csdn.net/programguo/article/details/100035935
• https://github.com/mqtt/mqtt.org/wiki/libraries