一文读懂MQTT协议是什么
文章出处：http://www.singbon.com 作者： 人气： 发表时间：2022年07月12日
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一 概述
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，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。
2014年发布的MQTT v3.1.1是当前MQTT协议的最新版本。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。
二 设计原则
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。
三 特性
MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：
(1)使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。
(2)对负载内容屏蔽的消息传输。
(3)使用TCP/IP提供网络连接。
主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。
(4)有三种消息发布服务质量：
“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。
“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。
(5)小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量。
这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集”，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。
(6)使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。
Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。
四 MQTT协议原理
1 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。
2 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。
3 MQTT客户端
一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：
(1)发布其他客户端可能会订阅的信息；
(2)订阅其它客户端发布的消息；
(3)退订或删除应用程序的消息；
(4)断开与服务器连接。
4 MQTT服务器
MQTT服务器以称为“消息代理”(Broker)，可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：
(1)接受来自客户的网络连接；
(2)接受客户发布的应用信息；
(3)处理来自客户端的订阅和退订请求；
(4)向订阅的客户转发应用程序消息。
5 MQTT协议中的订阅、主题、会话
一、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。
二、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。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。
三、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。
四、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。
五、负载(Payload)
消息订阅者所具体接收的内容。
6 MQTT协议中的方法
MQTT协议中定义了一些方法(也被称为动作)，来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：
(1)Connect。等待与服务器建立连接。
(2)Disconnect。等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。
(3)Subscribe。等待完成订阅。
(4)UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
(5)Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。
五 MQTT协议数据包结构
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。
1 MQTT固定头
固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：
1.1 MQTT数据包类型
位置：Byte 1中bits 7-4。
相于一个4位的无符号值，类型、取值及描述如下：
1.2 标识位
位置：Byte 1中bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：
(1)DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。
(2)QoS：发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数
Ø00：最多一次，即：<=1
Ø01：至少一次，即：>=1
Ø10：一次，即：=1
Ø11：预留
(3)RETAIN： 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，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。
1.3 剩余长度(Remaining Length)
地址：Byte 2。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0
2 MQTT可变头
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。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是作为包的标识：
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。
3 Payload消息体
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。
六 emqx使用
1 安装启动
进入到emqx解压后目录，进入bin目录，执行其下的命令脚本：
$ ./bin/emqx start
emqx 4.0.0 is started successfully!
$ ./bin/emqx_ctl status
Node 'emqx@127.0.0.1' is started
emqx v4.0.0 is running
1
2
3
4
5
停止 EMQ X Broker：
$ ./bin/emqx stop
ok
1
2
卸载 EMQ X Broker，直接删除 EMQ X 目录即可。
2 Emqx Dashboard插件
Emqx自带dashboard插件，通过 Dashboard，你可以查看服务器基本信息、负载情况和统计数据，可以查看某个客户端的连接状态等信息甚至断开其连接，也可以动态加载和卸载指定插件。除此之外，EMQ X Dashboard 还提供了规则引擎的可视化操作界面，同时集成了一个简易的 MQTT 客户端工具供用户测试使用。
当 EMQ X 成功运行在你的本地计算机上且 EMQ X Dashboard 被默认启用时，你可以访问 http://localhost:18083 来查看你的 Dashboard，默认用户名是 admin，密码是 public。
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本文关键词：MQTT协议
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