MQTT | 一文讲透MQTT，超级详细！！！

一、概念和应用场景

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅范式的“轻量级”消息协议，由 IBM 发布。

IoT 设备要运作，就必须连接到互联网，设备才能相互协作，以及与后端服务协同工作。而互联网的基础网络协议是 TCP/IP，MQTT 协议是基于 TCP/IP 协议栈而构建的，因此它已经慢慢的已经成为了 IoT 通讯的标准。

MQTT 可以被解释为一种低开销，低带宽占用的即时通讯协议，可以用较少的代码和带宽为远程设备连接提供实时可靠的消息服务，它适用于硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的环境下，因此 MQTT 协议在 IoT（Internet of things，物联网），小型设备应用，移动应用等方面有较广泛的应用。

优点：代码量少，开销低，带宽占用小，即时通讯协议。

二、MQTT协议原理

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，传输过程如下如所示。

有别于传统的客户端/服务器通讯协议，MQTT协议并不是端到端的，消息传递通过代理，包括会话（session）也不是建立在发布者和订阅者之间，而是建立在端和代理之间。代理解除了发布者和订阅者之间的耦合。

除了发布者和订阅者之间传递普通消息，代理还可以为发布者处理保留消息和遗愿消息，并可以更改服务质量（QoS）等级。

三、相关概念

客户端：

一个使用mqtt协议的应用程序或设备，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、订阅其他客户端的消息

3、退订或删除应用程序的消息

4、断开与服务器的连接

服务器：

可以是一个应用程序或者一台设备，它用于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消息

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

主题：

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。

一个主题可以有多个级别，级别之间用斜杠字符分隔。例如，/world 和 emq/emqtt/emqx 是有效的主题。如腾讯云中订阅的云端回复消息为

“$thing/down/service/设备ID/设备名”

QoS（消息传递的服务质量水平）：

服务质量，此标志表明此主题范围内的消息传送到客户端所需的一致程度。有三种取值：

值 0：不可靠，消息最多发送一次。如果当时客户端不可用，则会丢失该消息。

值 1：消息应传送至少 1 次。确保消息到达，但消息重复可能会发生。

值 2：确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

遗愿机制/遗嘱机制:

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协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），表示对确定资源进行操作。资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

• Connect。等待与服务器建立连接。

• 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。

• Subscribe。等待完成订阅。

• UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。

• 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数据包结构

MQTT 协议通过交换预定义的 MQTT 控制报文来通信。

一个MQTT数据包结构包括：固定头部，可变头部，消息体（payload）三部分组成，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。只有CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息有Payload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，消息体内容是要取消订阅的主题。

数据包组成详细描述:

数据包组成的详细内容与数据包长度根据MQTT控制报文格式的不同而不同。MQTT控制报文类型共有14种

控制报文的类型