MQTT協議，終于有人講清楚了
本文轉載自微信公眾號「小麥大叔」，作者菜刀和小麥。轉載本文請聯系小麥大叔公眾號。
大家好，我是小麥，最近做了一個物聯網的項目，順便總結一下MQTT協議。大家都知道，MQTT協議在物聯網中很常用，如果你對此還不是很了解，相信這篇文章可以帶你入門。
- mqtt協議
- 1 MQTT協議特點
- 發布和訂閱
- QoS(Quality of Service levels)
- 2 MQTT 數據包結構
- 2.1 MQTT固定頭
- 2.2 MQTT可變頭 / Variable header
- 2.3 Payload消息體
- 3 環境搭建
- 3.1 MQTT服務器搭建
- 3.2 MQTT Client
- 4 總結
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。
- 光伏發電站是發布者(Publisher)。
- 主要主題(Topic)級別是"PV"，這個工廠發布兩個子級別"sunshine"和"data";
- "PV/sunshine"是一個布爾值(true/fault，也可以是 1/0)，充電站需要它來知道是否應該裝載電動汽車(僅在陽光普照時 :))。
- 充電站(EVSE)是訂閱者，訂閱"PV/sunshine"從服務器獲取信息。
- "PV/data" 另一方面，以 kW 為單位傳輸工廠產生的瞬時功率，并且該主題可以例如通過計算機或平板電腦訂閱，以生成一天內傳輸功率的圖表。
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：
| 名稱 | 值 | 流方向 | 描述 |
|---|---|---|---|
| Reserved | 0 | 不可用 | 保留位 |
| CONNECT | 1 | 客戶端到服務器 | 客戶端請求連接到服務器 |
| CONNACK | 2 | 服務器到客戶端 | 連接確認 |
| PUBLISH | 3 | 雙向 | 發布消息 |
| PUBACK | 4 | 雙向 | 發布確認 |
| PUBREC | 5 | 雙向 | 發布收到（保證第1部分到達） |
| PUBREL | 6 | 雙向 | 發布釋放（保證第2部分到達） |
| PUBCOMP | 7 | 雙向 | 發布完成（保證第3部分到達） |
| SUBSCRIBE | 8 | 客戶端到服務器 | 客戶端請求訂閱 |
| SUBACK | 9 | 服務器到客戶端 | 訂閱確認 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | 客戶端到服務器 | 請求取消訂閱 |
| UNSUBACK | 11 | 服務器到客戶端 | 取消訂閱確認 |
| PINGREQ | 12 | 客戶端到服務器 | PING請求 |
| PINGRESP | 13 | 服務器到客戶端 | PING應答 |
| DISCONNECT | 14 | 客戶端到服務器 | 中斷連接 |
| Reserved | 15 | 不可用 | 保留位 |
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：
| 數據包 | 標識位 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | Bit 0 |
|---|---|---|---|---|---|
| CONNECT | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CONNACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBLISH | MQTT 3.1.1使用 | DUP1 | QoS2 | QoS2 | RETAIN3 |
| PUBACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREC | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREL | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBCOMP | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| SUBSCRIBE | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| SUBACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| UNSUBSCRIBE | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| UNSUBACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGREQ | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGRESP | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| DISCONNECT | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
- 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。
- 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
- 00：最多一次，即：<=1
- 01：至少一次，即：>=1
- 10：一次，即：=1
- 11：預留
- 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。
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：
| Bit | 7 — 0 |
|---|---|
| byte 1 | 包標簽符（MSB） |
| byte 2… | 包標簽符（LSB） |
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：
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
SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
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。
UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。
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，整體架構如下圖所示;
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ScRucIVO-1625480723109)(架構圖.png)]
3.1 MQTT服務器搭建
目前MQTT代理的主流平臺有下面幾個：
- Mosquitto：https://mosquitto.org/
- VerneMQ：https://vernemq.com/
- EMQTT：http://emqtt.io/
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;
下載頁面
安裝成功之后，進入到安裝路徑下，找到mosquitto.exe;
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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 -h 可以查看相應的幫助;
- 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;
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：
- 地址：127.0.0.1
- 端口：10086
然后訂閱主題，就可以互相發送數據了，具體如下圖所示;
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。
本期就到此結束了，我是小麥，我們下期再見。
