MQTT协议

前言

MQTT (Message Queue Telemetry Transport)是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的轻量级通讯协议，通过订阅相应的主题来获取消息，是物联网（Internet of Thing）中的一个标准传输协议。
该协议将消息的发布者（publisher）与订阅者（subscriber）进行分离，因此可以在不可靠的网络环境中，为远程连接的设备提供可靠的消息服务，使用方式与传统的 MQ 有点类似。

TCP 协议位于传输层，MQTT 协议位于应用层，MQTT 协议构建于 TCP/IP 协议上，理论上，只要支持 TCP/IP 协议栈的地方，都可以使用 MQTT 协议。

协议优势

MQTT 协议在物联网（IOT）中非常流行，主要有几点：

• HTTP 协议它是一种同步协议，客户端请求后需要等待服务器的响应。而在物联网（IOT）环境中，设备会很受制于环境的影响，比如带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等，显然异步消息协议更为适合 IOT 应用程序。
• HTTP 是单向的，如果要获取消息客户端必须发起连接，而在物联网（IOT）应用程序中，设备或传感器往往都是客户端，这意味着它们无法被动地接收来自网络的命令。
• 通常需要将一条命令或者消息，发送到网络上的所有设备上。HTTP 要实现这样的功能不但很困难，而且成本极高。

协议结构

MQTT是一种轻量级的协议，它只专注于发消息， 所以此协议的结构也比较简单。

MQTT数据包

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。

• 固定头（Fixed header），所有数据包中都有固定头，包含数据包类型及数据包的分组标识。
• 可变头（Variable header），部分数据包类型中有可变头。
• 消息体（Payload），存在于部分数据包类，是客户端收到的具体消息内容。

固定头

固定头 存在于所有 MQTT 数据包中，使用两个字节，共16位，结构如下：

4-7位表示消息类型，使用 4 位二进制表示，可代表如下的16种消息类型，不过 0 和 15位置属于保留待用，所以共14种消息事件类型。

DUP Flag（重试标识）

• DUP Flag：保证消息可靠传输，消息是否已送达的标识。默认为0，只占用一个字节，表示第一次发送，当值为 1 时，表示当前消息先前已经被传送过。

QoS Level（消息质量等级）

• QoS Level：消息的质量等级

RETAIN（持久化）

• 值为 1 ：表示发送的消息需要一直持久保存，而且不受服务器重启影响，不但要发送给当前的订阅者，且以后新加入的客户端订阅了此 Topic，订阅者也会马上得到推送。注意：新加入的订阅者，只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。
• 值为 0 ：仅为当前订阅者推送此消息。

Remaining Length（剩余长度）

• 在当前消息中剩余的 byte 数，包含可变头部和消息体payload。

可变头

固定头部仅定义了消息类型和一些标志位，一些消息的元数据需要放入可变头部中。可变头部内容字节长度 + 消息体payload = 剩余长度。

可变头部居于固定头部和payload中间，包含了协议名称，版本号，连接标志，用户授权，心跳时间等内容。

可变头存在于这些类型的消息：

• PUBLISH (QoS > 0)
• PUBACK
• PUBREC
• PUBREL
• PUBCOMP
• SUBSCRIBE
• SUBACK
• UNSUBSCRIBE
• UNSUBACK

消息体

消息体 payload 只存在于 CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE 这几种类型的消息：

• CONNECT：包含客户端的ClientId、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
• PUBLISH：向对应主题发送消息。
• SUBSCRIBE：要订阅的主题以及QoS。
• SUBACK：服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及 QoS 进行确认和回复。
• UNSUBSCRIBE：取消要订阅的主题。

消息质量(QoS)

消息的发送质量，发布者（publisher）和订阅者（subscriber）都可以指定 qos 等级，有三个等级：

• QoS 0
• QoS 1
• QoS 2

QoS 0

At most once（至多一次）只发送一次消息，不保证消息是否成功送达，没有确认机制，消息可能会丢失或重复。

具体流程

QoS 1

At least once（至少一次），相对于 QoS 0 而言 Qos 1 增加了 ack 确认机制，发送者（publisher）推送消息到MQTT代理（broker）时，两者自身都会先持久化消息，只有当publisher 或者 Broker分别收到 PUBACK确认时，才会删除自身持久化的消息，否则就会重发。

虽然可以通过确认来保证一定收到客户端 或 服务器的 message，可却不能保证只收到一次 message，当客户端publisher没收到Broker的puback或者 Broker没有收到subscriber的puback，那么就会一直重发。

具体流程

• publisher store msg -> publish ->broker （发送 message）
• broker -> puback -> publisher delete msg （确认回执）

QoS 2

Exactly once（只有一次），相对于QoS 1，QoS 2升级实现了仅接受一次message，publisher 和 broker 同样对消息进行持久化，其中 publisher 缓存了message和 对应的 msgId，而 broker 缓存了 msgId，可以保证消息不重复，由于又增加了一个confirm 机制，整个流程变得复杂很多。

具体流程：

• publisher store msg -> publish ->broker -> broker store (发送消息)
• msgId（传递 message） broker -> puberc （确认传递成功）
• publisher -> pubrel ->broker delete msgId （通知broker删除msgId）
• broker -> pubcomp -> publisher delete msg （通知publisher删除msg）
  

最后遗嘱(LWT)

LWT 全称为 Last Will and Testament，遗嘱是一个由客户端预先定义好的主题和对应消息，附加在CONNECT的数据包中，包括遗愿主题、遗愿 QoS、遗愿消息等。

当MQTT代理 Broker 检测到有客户端client非正常断开连接时，再由服务器主动发布此消息，然后相关的订阅者会收到消息。

遗嘱的相关参数：

• Will Flag：是否使用 LWT，1 开启
• Will Topic：遗愿主题名，不可使用通配符
• Will Qos：发布遗愿消息时使用的 QoS
• Will Retain：遗愿消息的 Retain 标识
• Will Message：遗愿消息内容

客户端非正常断开连接的场景

• Broker 检测到底层的 I/O 异常；
• 客户端 未能在心跳 Keep Alive 的间隔内和 Broker 进行消息交互；
• 客户端 在关闭底层 TCP 连接前没有发送 DISCONNECT 数据包；
• 客户端 发送错误格式的数据包到 Broker，导致关闭和客户端的连接等。

当客户端通过发布 DISCONNECT 数据包断开连接时，属于正常断开连接，并不会触发 LWT 的机制，与此同时Broker 还会丢弃掉当前客户端在连接时指定的相关 LWT 参数。

中间件

MQTT 是一种协议，支持MQTT协议的消息中间件产品有很多，比如

• RabbitMQ
• Apache ActiveMQ
• HiveMQ
• Apache Apollo
• emqttd Xively

应用场景

MQTT 协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。

最后

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