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一、啥是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，由IBM在1999年发布。

MQTT最大优点在于，用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。

1. MQTT协议特点

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。

MQTT协议除标准版外，还有一个简化版MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络，如：ZigBee。

MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。

结构示意图：

2. 发布和订阅

MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。

这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。

MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。

它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。

服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！

客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之。

客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。

消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。

我们来看看下面的设置。

• 光伏发电站是发布者（Publisher）。
• 主要主题（Topic）级别是"PV"，这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data"；
• "PV/sunshine"是一个布尔值（true/fault，也可以是 1/0），充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车（仅在阳光普照时 😃）。
• 充电站（EVSE）是订阅者，订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。
• “PV/data” 另一方面，以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率，并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅，以生成一天内传输功率的图表。

这就是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示；

3. QoS（Quality of Service levels）

服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器，则客户端将是发送者，MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。

QoS 0 —— 最多1次

最小的等级就是 0。并且它保证一次信息尽力交付。一个消息不会被接收端应答，也不会被发送者存储并再发送。这个也被叫做 “即发即弃” 。并且在TCP协议下也是会有相同的担保。

QoS 1 —— 最少1次

当使用QoS 等级1 时， 它保证信息将会被至少发送一次给接受者。 但是消息也可能被发送两次甚至更多 。

QoS 2 —— 只有1次

最高的QoS就是2，它会确保每个消息都只被接收到的一次，他是最安全也是最慢的服务等级。

二、MQTT 数据包结构

• 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；
• 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；
• 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；

整体MQTT的消息格式如下图所示；

1. MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

固定头存在于所有MQTT数据包中， 固定头包含两部分内容，首字节(字节1)和剩余消息报文长度(从第二个字 节开始，长度为1-4字节)，剩余长度是当前包中剩余内容长度的字节数，包括变量头和有效负载中的数据）。剩余长度不包含用来编码剩余长度的字节。

剩余长度使用了一种可变长度的结构来编码，这种结构使用单一字节表示0 - 127 的值。大于 127 的值如下处 理。每个字节的低7 位用来编码数据，最高位用来表示是否还有后续字节。因此每个字节可以编码 128 个值，再加 上一个标识位。剩余长度最多可以用四个字节来表示。

2. MQTT可变头 / Variable header

可变标头组件作为可选字段包含在某些 MQTT 控制数据包类型中。在固定报头和有效载荷之间是这个字段。可变标头的内容由数据包类型决定。在可变报头中可以找到许多数据包类型中常见的数据包标识符字段。数据包标识符字段是一个 2 字节整数，包含在许多 MQTT 控制数据包类型的可变标头组件中。

数据包标识符字段如下：
PUBLISH、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

数据包标识符字段的特征：

• 如果 QoS（服务质量）的值设置为零，则 PUBLISH 数据包不应包含数据包标识符字段。这意味着如果 QoS 值大于零，则数据包标识符字段将仅出现在 PUBLISH 数据包中。

• 客户端在发送新的 SUBSCRIBE、UNSUBSCRIBE 或 PUBLISH MQTT 控制数据包时应分配一个当前未使用的非零数据包标识符。

• 服务器在发送新的 PUBLISH MQTT 控制数据包时应分配一个当前未使用的非零数据包标识符。

• PUBACK、PUBREC、PUBUREL、PUBREC是PUBLISH命令确认包，包标识符与PUBLISH包相同

• SUBACK和UNSUBACK分别是SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE确认包。

• SUBACK 和 UNSUBACK 数据包与 SUBSCRIBE 和 UNSUBSCRIBE 数据包共享相同的数据包标识符处理完相应的确认包后，包标识符可以重复使用。

下面是一个定义：
A。如果 QoS 设置为 1，则 PUBLISH 的确认包将是 PUBACK。如果处理了 PUBACK，则可以重用 PUBACK 数据包标识符。

B.如果 QoS 值为 2，则 PUBLISH 确认包将是 PUBCOMP 或 PUBREC。

3. Payload消息体

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

• 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
• SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
• 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。
• UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。

三、MQTT 消息报文

以上介绍了MQTT协议的消息格式，MQTT消息格式包含Fixed Header， Variable Header和Payload。因为MQTT消息格式非常精简，所以可以高效的传输数据。

Fixed Header中包含首字节，高4位用来表示报文类型，低4位用于类型控制。目前只有PUBLISH使用了类型控制字段。其它控制字段被保留并且必须与协议定义保持一致。

Fixed Header同时包含Remaining Length，这是剩余消息长度，最大长度为4字节，理论上一条MQTT最大可以传输256MB数据。Remaining Length=Variable Header+Payload长度。

Variable Header是可变头部，有些报文类型中需要包含可变头部，可变头部根据报文类型不同而不同。比如Packet Identifier在发布，订阅/取消订阅等报文中都使用到。

Payload是消息内容，也只在某些报文类型中出现，其内容和格式也根据报文类型不同而不同。