简单了解mqtt协议

一、简介

MQTT（Message Queue Telemetry Transport），遥测传输协议，低开销，低带宽占用。属于物联网的一个标准传输协议，属于应用层协议

适用于受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定），为工作在低带宽、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。能在处理器和内存资源有限的嵌入式设备中运行。

1. 特性：

1. 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，从而接触应用程序的耦合
2. 使用TCP/IP提供网络连接（主流是基于TCP，也有基于UDP的版本叫做MQTT-SN）
3. 对负载内容屏蔽的消息传输（这句不是太懂）
4. 使用Last Will（遗言机制）和Testament（遗嘱机制）特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
5. 小型传输，开销小（固定报头2字节），协议交换最小化，降低网络流量
6. 支持三种消息发布服务质量QoS：

“至多一次”（QoS==0）：只发送一次消息。消息的发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。【适用于丢失一次读记录无所谓，不久之后会有第二次发送，如普通APP的推送，就算在消息推送当时未联网，但是再次联网后就可以收到消息了】

“至少一次”（QoS==1）：最少发送一次消息，确保消息到达，但是消息重复可能会发生。

“只有一次”（QoS==2）：确保消息只到达一次，常用于计费系统中，确保用户收到且只会收到一次消息。

2. 实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成。

通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：

1. 发布者（Publish）：发布消息
2. 代理（Broker）（服务器端）:进行消息的代理分发
3. 订阅者（Subscribe）:订阅消息

消息的发布和订阅都是客户端，消息的代理是服务器，客户端在作为发布者发布消息的同时也可以作为订阅者订阅消息。（与微博微信公众号的发文章和关注类似）

MQTT传输的消息分为两部分：

1. 主题（Topic）：可理解为消息的类型，订阅者订阅了相应的topic，就会收到该主题的消息内容（payload）
2. 负载（Payload）：可理解为消息的内容，订阅者具体接受到和要使用的内容。

3. 会话、订阅、主题筛选器、服务质量、主题名和负载之间的关系：

1. 一个会话（session）中可以包含多个订阅（subscribe），
2. 每个订阅（subscribe）都有一个不同的主题筛选器（topic filter）和自己的服务质量（QoS），
3. 一个主题筛选器（topic filter）能够匹配到一个或多个主题名（topic name），
4. 每个主题名（topic name）表示一个主题，他们有自己的负载（payload）内容。

 

二、MQTT控制报文结构

MQTT报文结构由三部分组成：

1. 固定报头（Fixed header）：包含三部分【控制报文的类型（Byte1的bits 7-4）、用于指定控制报文类型的标志位（Byte1的bits 3-0）、剩余长度（Byte2）】
2. 可变报头（Variable header）：
3. 有效载荷（Payload）：

其中，固定报头是所有报文类型都包含的，可变报头和有效载荷是部分报文才有

1. 固定报头

共占2字节，三部分（类型，标志位，剩余长度）

Byte1	控制报文的类型（bits 7-4）	用于指定控制报文类型的标志位（bits 3-0）
Byte2	剩余长度

1. 1类型 Type

mqtt的控制报文的类型共16种，其中0和15为Reserved，作为保留：

1. CONNECT, CONNACK：请求连接和连接确认
2. PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP：发布消息及不同QoS对应的确认收到
3. SUBSCRIBE, SUBACK：订阅和订阅确认
4. UNSUBSCRIBE, UNSUBACK：取消订阅和取消订阅的确认
5. PINGREQ, PINGRESP：心跳请求和心跳响应
6. DISCONNECT：断开连接

1.2 标志位 Flags

除了下面四种，其他报文的标志位都标记为“保留”，是保留给以后使用的。

PUBLISH报文包含标志位：bit3-0分别为DUP（重复分发标志），QoS（服务质量等级，占2bit，0-2），RETAIN（保留标志）

PUBREL, SUBSCRIBE, UNSUBSCRIBE三种报文的 bit 1 位为 1。

1.3 剩余长度 Remaining Length：

（没看明白）

 

2. 可变报头 Variable header

可变报头根据报文类型的不同而不同，常用来作为包的标识。心跳请求、心跳响应和断开连接三种报文没有可变报头。

不同报文中可变报头的内容也不相同：

1. CONNECT：协议名，协议级别，连接标志，保持连接
2. CONNACK：连接确认标志，连接返回码
3. PUBLISH：主题名，报文标识符
4. PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP：报文标识符
5. SUBSCRIBE：报文标识符（Packet Identifier）【报文标识符设置为10时的可变报头】
6. SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK：报文标识符

各个存在可变报头的协议其详细不同如下：

CONNECT：

• 协议名（Protocol Name），即MQTT协议，加上长度MSB和长度LSB，共占6字节，utf-8编码的字符串
• 协议级别（Protocol Level），表示协议的修订版本，占1个字节
• 连接标志（Connect Flags）,包含用于指定MQTT连接行为的参数，还能指出有效载荷中的字段是否存在，占1个字节

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
	User Name Flag	Password Flag	Will Retain	Will QoS		Will Flag	Clean Session	Reserved
byte 8	X	X	X	X		X	X	0

 

• 保持连接（Keep Alive），指在客户端传输完成一个控制报文的时刻到发送下一个报文的时刻，两者之间允许空闲的最大时间间隔。客户端负责保证控制报文发送的时间间隔不超过保持连接的值。如果没有任何其它的控制报文可以发送，客户端必须发送一个PINGREQ报文。占2字节

CONNACK:

• 连接确认标志（Connect Acknowledge Flags）：第1个字节是 连接确认标志，位7-1是保留位且必须设置为0。 第0 (SP)位 是当前会话（Session Present）标志。

• 当前会话（Session Present）：连接确认标志的第0位。与清理会话相关联（不是很明白对应的机制）

• 连接返回码（Connect Return code）：可变报头的第2个字节。确认连接成功或者连接失败的相应原因，用返回值表示不同的情况

PUBLISH:

• 主题名（Topic Name）:用于识别有效载荷数据应该被发布到哪一个信息通道。必须是PUBLISH报文可变报头的第一个字段，不能包含通配符。
• 报文标识符（Packet Identifier）:只有当QoS等级是1或2时，报文标识符（Packet Identifier）字段才能出现在PUBLISH报文中。

2.1 报文标识符 Packet Identifier

报文标识符占2字节。感觉像是客户端服务端在通信时证明该报文是当前会话的报文。

Bit	7-0
byte 1	报文标识符MSB
byte 2	报文标识符LSB

包含报文标识符字段的控制报文有下面几个，都是发布、订阅、取消订阅及其消息确认的报文

PUBLISH（QoS > 0时）， PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP

SUBSCRIBE, SUBACK，UNSUBSCRIBE，UNSUBACK。

 

3. 有效载荷 Payload

有效载荷也是部分报文才拥有的，会根据报文类型的不同，及其可变报头中的标志而决定的，其中包含有效载荷的控制报文有以下几个：

CONNECT：如果可变报头中的标志包含这些字段，其顺序必须为：客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码

PUBLISH：（可选）包含将被发布的应用消息，数据的内容和格式是应用特定的。有效载荷为0时也是合法的

SUBSCRIBE：包含一个主题过滤器列表（必须是utf-8）和QoS等级，表示客户端想要订阅的主题及其QoS等级；

SUBACK：包含一个返回码清单。每个返回码对应等待确认的SUBSCRIBE报文中的一个主题过滤器。返回码的顺序必须和SUBSCRIBE报文中主题过滤器的顺序相同。对要订阅的内容进行确认

UNSUBSCRIBE：包含客户端想要取消订阅的主题过滤器列表（主题过滤器必须是连续打包的、按照UTF-8编码字符串）

 

参考文章：

https://blog.csdn.net/qq_28877125/article/details/78325003

https://mcxiaoke.gitbooks.io/mqtt-cn/content/

https://www.cnblogs.com/sxkgeek/p/9140180.html

http://www.360doc.com/content/18/0116/05/163747_722273693.shtml