一文讀懂MQTT協議

1  概述

MQTT（MessageQueuing Telemetry Transport，訊息佇列遙測傳輸協議），是一種基於釋出/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協議，該協議構建於TCP/IP協議上，由IBM在1999年釋出。MQTT最大優點在於，可以以極少的程式碼和有限的頻寬，為連線遠端裝置提供實時可靠的訊息服務。作為一種低開銷、低頻寬佔用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型裝置、移動應用等方面有較廣泛的應用。

MQTT協議是輕量、簡單、開放和易於實現的，這些特點使它適用範圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器（M2M）通訊和物聯網（IoT）。其在，通過衛星鏈路通訊感測器、偶爾撥號的醫療裝置、

2014是當前MQTT協議的最新版本。除標準版外，還有一個簡化版MQTT-SN，該協議主要針對嵌入式裝置，這些裝置一般工作於TCP/IP網路，如：ZigBee。

2  設計原則

由於物聯網的環境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設計原則：

（1）精簡，不新增可有可無的功能；

（2）釋出/訂閱（Pub/Sub）模式，方便訊息在感測器之間傳遞；

（3）允許使用者動態建立主題，零運維成本；

（4）把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；

（5）把低頻寬、高延遲、不穩定的網路等因素考慮在內；

（6）支援連續的會話控制；

（7）理解客戶端計算能力可能很低；

（8）提供服務質量管理；

（9）假設資料不可知，不強求傳輸資料的型別與格式，保持靈活性。

3  特性

MQTT協議工作在低頻寬、不可靠的網路的遠端感測器和控制裝置通訊而設計的協議，它具有以下主要的幾項特性：

（1）使用釋出/訂閱訊息模式，提供一對多的訊息釋出，解除應用程式耦合。

這一點很類似於XMPP，但是MQTT的資訊冗餘遠小於XMPP，,因為XMPP使用XML格式文字來傳遞資料。

（2）對負載內容遮蔽的訊息傳輸。

（3）使用TCP/IP提供網路連線。

主流的MQTT是基於TCP連線進行資料推送的，但是同樣有基於UDP的版本，叫做MQTT-SN。這兩種版本由於基於不同的連線方式，優缺點自然也就各有不同了。

（4）有三種訊息釋出服務質量：

“至多一次”，訊息釋出完全依賴底層TCP/IP網路。會發生訊息丟失或重複。這一級別可用於如下情況，環境感測器資料，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久後還會有第二次傳送。這一種方式主要普通APP的推送，倘若你的智慧裝置在訊息推送時未聯網，推送過去沒收到，再次聯網也就收不到了。

“至少一次”，確保訊息到達，但訊息重複可能會發生。

“只有一次”，確保訊息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別。在計費系統中，訊息重複或丟失會導致不正確的結果。這種最高質量的訊息釋出服務還可以用於即時通訊類的APP的推送，確保使用者收到且只會收到一次。

（5）小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是2位元組），協議交換最小化，以降低網路流量。

這就是為什麼在介紹裡說它非常適合“在物聯網領域，感測器與伺服器的通訊，資訊的收集”，要知道嵌入式裝置的運算能力和頻寬都相對薄弱，使用這種協議來傳遞訊息再適合不過了。

（6）使用Last Will和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。

Last Will：即遺言機制，用於通知同一主題下的其他裝置傳送遺言的裝置已經斷開了連線。

Testament：遺囑機制，功能類似於LastWill 。

4  MQTT協議原理

4.1MQTT協議實現方式

實現MQTT協議需要客戶端和伺服器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協議中有三種身份：釋出者（Publish）、代理（Broker）（伺服器）、訂閱者（Subscribe）。其中，訊息的釋出者和訂閱者都是客戶端，訊息代理是伺服器，訊息釋出者可以同時是訂閱者。

MQTT傳輸的訊息分為：主題（Topic）和負載（payload）兩部分：

（1）Topic，可以理解為訊息的型別，訂閱者訂閱（Subscribe）後，就會收到該主題的訊息內容（payload）；

（2）payload，可以理解為訊息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

4.2 網路傳輸與應用訊息

MQTT會構建底層網路傳輸：它將建立客戶端到伺服器的連線，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基於位元組流的雙向傳輸。

當應用資料通過MQTT網路傳送時，MQTT會把與之相關的服務質量（QoS）和主題名（Topic）相關連。

4.3  MQTT客戶端

一個使用MQTT協議的應用程式或者裝置，它總是建立到伺服器的網路連線。客戶端可以：

（1）釋出其他客戶端可能會訂閱的資訊；

（2）訂閱其它客戶端釋出的訊息；

（3）退訂或刪除應用程式的訊息；

（4）斷開與伺服器連線。

4.4  MQTT伺服器

MQTT伺服器以稱為“訊息代理”（Broker），可以是一個應用程式或一臺裝置。它是位於訊息釋出者和訂閱者之間，它可以：

（1）接受來自客戶的網路連線；

（2）接受客戶釋出的應用資訊；

（3）處理來自客戶端的訂閱和退訂請求；

（4）向訂閱的客戶轉發應用程式訊息。

4.5  MQTT協議中的訂閱、主題、會話

一、訂閱（Subscription）

訂閱包含主題篩選器（TopicFilter）和最大服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

二、會話（Session）

每個客戶端與伺服器建立連線後就是一個會話，客戶端和伺服器之間有狀態互動。會話存在於一個網路之間，也可能在客戶端和伺服器之間跨越多個連續的網路連線。

三、主題名（Topic Name）

連線到一個應用程式訊息的標籤，該標籤與伺服器的訂閱相匹配。伺服器會將訊息傳送給訂閱所匹配標籤的每個客戶端。

四、主題篩選器（Topic Filter）

一個對主題名萬用字元篩選器，在訂閱表示式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。

五、負載（Payload）

訊息訂閱者所具體接收的內容。

4.6MQTT協議中的方法

MQTT協議中定義了一些方法（也被稱為動作），來於表示對確定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的資料或動態生成資料，這取決於伺服器的實現。通常來說，資源指伺服器上的檔案或輸出。主要方法有：

（1）Connect。等待與伺服器建立連線。

（2）Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作，並與伺服器斷開TCP/IP會話。

（3）Subscribe。等待完成訂閱。

（4）UnSubscribe。等待伺服器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。

（5）Publish。MQTT客戶端傳送訊息請求，傳送完成後返回應用程式執行緒。

5  MQTT協議資料包結構

在MQTT協議中，一個MQTT資料包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、訊息體（payload）三部分構成。MQTT 資料包結構如下：

（1）固定頭（Fixed header）。存在於所有MQTT資料包中，表示資料包型別及資料包的分組類標識。

（2）可變頭（Variable header）。存在於部分MQTT資料包中，資料包型別決定了可變頭是否存在及其具體內容。

（3）訊息體（Payload）。存在於部分MQTT資料包中，表示客戶端收到的具體內容。

5.1  MQTT固定頭

固定頭存在於所有MQTT資料包中，其結構如下：

5.1.1  MQTT資料包型別

位置：Byte 1中 bits 7-4。

相於一個4位的無符號值，型別、取值及描述如下：

5.1.2 標識位

地址：Byte 1中bits 3-0。

在不使用標識位的訊息型別中，標識位被作為保留位。如果收到無效的標誌時，接收端必須關閉網路連線：

（1）DUP：釋出訊息的副本。用來在保證訊息的可靠傳輸，如果設定為 1，則在下面的變長中增加MessageId，並且需要回復確認，以保證訊息傳輸完成，但不能用於檢測訊息重複傳送。

（2）QoS：釋出訊息的服務質量，即：保證訊息傳遞的次數

          Ø 00：最多一次，即：<=1

          Ø 01：至少一次，即：>=1

          Ø 10：一次，即：=1

          Ø 11：預留

（3）RETAIN： 釋出保留標識，表示伺服器要保留這次推送的資訊，如果有新的訂閱者出現，就把這訊息推送給它，如果設有那麼推送至當前訂閱者後釋放。

5.1.3  剩餘長度（RemainingLength）

地址：Byte 2。

固定頭的第二位元組用來儲存變長頭部和訊息體的總大小的，但不是直接儲存的。這一位元組是可以擴充套件，其儲存機制，前7位用於儲存長度，後一部用做標識。當最後一位為 1時，表示長度不足，需要使用二個位元組繼續儲存。例如：計算出後面的大小為0<length<=127的，正常儲存。如果是127<length<16383的，則需使用兩個位元組儲存了。

5.2  MQTT可變頭

MQTT資料包中包含一個可變頭，它駐位於固定的頭和負載之間。可變頭的內容因資料包型別而不同，較常的應用是作為包的標識：

很多型別資料包中都包括一個2位元組的資料包標識欄位，這些型別的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

5.3Payload訊息體

Payload訊息體位MQTT資料包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的訊息：

（1）CONNECT，訊息體內容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及使用者名稱和密碼。

（2）SUBSCRIBE，訊息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。

（3）SUBACK，訊息體內容是伺服器對於SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回覆。

（4）UNSUBSCRIBE，訊息體內容是要訂閱的主題。

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