mqtt協議

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。

MQTT最大優點在于，用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。

1 MQTT協議特點

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。

MQTT協議當前版本為，2014年發布的MQTT v3.1.1。除標準版外，還有一個簡化版MQTT-SN，該協議主要針對嵌入式設備，這些設備一般工作于TCP/IP網絡，如：ZigBee。

MQTT 與 HTTP 一樣，MQTT 運行在傳輸控制協議/互聯網協議 (TCP/IP) 堆棧之上。

MQTT OSI

發布和訂閱

MQTT使用的發布/訂閱消息模式，它提供了一對多的消息分發機制，從而實現與應用程序的解耦。

這是一種消息傳遞模式，消息不是直接從發送器發送到接收器（即點對點），而是由MQTT server（或稱為 MQTT Broker）分發的。

MQTT 服務器是發布-訂閱架構的核心。

它可以非常簡單地在Raspberry Pi或NAS等單板計算機上實現，當然也可以在大型機或 Internet 服務器上實現。

服務器分發消息，因此必須是發布者，但絕不是訂閱者！

客戶端可以發布消息（發送方）、訂閱消息（接收方）或兩者兼而有之。

客戶端（也稱為節點）是一種智能設備，如微控制器或具有 TCP/IP 堆棧和實現 MQTT 協議的軟件的計算機。

消息在允許過濾的主題下發布。主題是分層劃分的 UTF-8 字符串。不同的主題級別用斜杠/作為分隔符號。

我們來看看下面的設置。

這就是一個簡單的MQTT的應用場景，具體如下圖所示；

MQTT 發布和訂閱

QoS（Quality of Service levels）

服務質量是 MQTT 的一個重要特性。當我們使用 TCP/IP 時，連接已經在一定程度上受到保護。但是在無線網絡中，中斷和干擾很頻繁，MQTT 在這里幫助避免信息丟失及其服務質量水平。這些級別在發布時使用。如果客戶端發布到 MQTT 服務器，則客戶端將是發送者，MQTT 服務器將是接收者。當MQTT服務器向客戶端發布消息時，服務器是發送者，客戶端是接收者。

QoS 0

這一級別會發生消息丟失或重復，消息發布依賴于底層TCP/IP網絡。即：<=1

QoS 1

QoS 1 承諾消息將至少傳送一次給訂閱者。

QoS 2

使用 QoS 2，我們保證消息僅傳送到目的地一次。為此，帶有唯一消息 ID 的消息會存儲兩次，首先來自發送者，然后是接收者。QoS 級別 2 在網絡中具有最高的開銷，因為在發送方和接收方之間需要兩個流。

2 MQTT 數據包結構

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；

整體MQTT的消息格式如下圖所示；

2.1 MQTT固定頭

固定頭存在于所有MQTT數據包中，其結構如下：

下面簡單分析一下固定頭的消息格式；

MQTT消息類型 / message type

**位置：**byte 1, bits 7-4。

4位的無符號值，類型如下：

標識位 / DUP

**位置：**byte 1, 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：

00：最多一次，即：<=1

01：至少一次，即：>=1

10：一次，即：=1

11：預留

剩余長度（Remaining Length）

位置：byte 1。

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

2.2 MQTT可變頭 / Variable header

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，較常的應用是做為包的標識：

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。

QoS發布消息的服務質量（前面已經做過介紹），即：保證消息傳遞的次數

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。

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

2.3 Payload消息體

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

3 環境搭建

介紹完基礎理論部分，下面在Windows平臺上搭建一個簡單的MQTT應用，進行簡單的應用，

3.1 MQTT服務器搭建

目前MQTT代理的主流平臺有下面幾個：

本文將使用 Mosquitoo 進行測試，進入到安裝頁面，下載自己電腦的系統所適配的程序；

UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。

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。

SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。

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

下載頁面

安裝成功之后，進入到安裝路徑下，找到mosquitto.exe；

按住Shift，右鍵鼠標點擊空白處，然后打開Powershell，正常打開一個終端軟件即可；

輸入./mosquitto.exe -p 10086，就開啟了MQTT服務，監聽的地址是127.0.0.1，端口是10086；

輸入./mosquitto.exe -h 可以查看相應的幫助；

具體如下圖所示；

3.2 MQTT Client

服務器搭建好了，下面就是開啟客戶端，進行發布和訂閱，這樣就可以傳輸相應的消息。

這里我使用的是自己編譯了一個QT mqtt client 程序，是基于Qt的官方庫進行編譯的，下面打開這個軟件，下一期簡單介紹一下如何完成這個客戶端，并設置好相應參數：

然后訂閱主題，就可以互相發送數據了，具體如下圖所示；

端口：10086

地址：127.0.0.1

結合前面的圖片來看，整體的架構如下所示；

4 總結

本文簡單介紹了MQTT協議的工作原理，以及相應的協議格式，簡單介紹了協議的一些細節，具體舉出了相應的應用場景，作者水平和能力有限，文中難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。



審核編輯：劉清