原理簡介_消息通信的利器MQTT協議簡介及協議原理

- 沒用過但是必須得知道系列 -

前言：

相比于 XMPP， MQTT 的簡單輕量受到了不少工程師的喜愛，從物聯網到傳統的消息服務，簡單可依賴的 MQTT 到底為何讓人如此著迷呢？

MQTT 協議－MQTT 協議簡介及協議原理

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，可以以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協議運行在TCP/IP或其他網絡協議，提供有序、無損、雙向連接。其特點包括：

使用的發布/訂閱消息模式，它提供了一對多消息分發，以實現與應用程序的解耦。
對負載內容屏蔽的消息傳輸機制。
對傳輸消息有三種服務質量(QoS)：

最多一次，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
至多一次，這一級別會確保消息到達，但消息可能會重復。即：>=1
只有一次，確保消息只有一次到達。即：＝1。在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別

數據傳輸和協議交換的最小化(協議頭部只有2字節)，以減少網絡流量
通知機制，異常中斷時通知傳輸雙方

2. MQTT協議原理

2.1 MQTT協議實現方式

實現MQTT協議需要：客戶端和服務器端
MQTT協議中有三種身份：發布者(Publish)、代理(Broker)(服務器)、訂閱者(Subscribe)。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發布者可以同時是訂閱者。
MQTT傳輸的消息分為：主題(Topic)和負載(payload)兩部分
- Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱(Subscribe)后，就會收到該主題的消息內容(payload)
- payload，可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容

2.2 網絡傳輸與應用消息

MQTT會構建底層網絡傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于字節流的雙向傳輸。

當應用數據通過MQTT網絡發送時，MQTT會把與之相關的服務質量(QoS)和主題名(Topic)相關聯。

2.3 MQTT客戶端

一個使用MQTT協議的應用程序或者設備，它總是建立到服務器的網絡連接。客戶端可以：

發布其他客戶端可能會訂閱的信息
訂閱其它客戶端發布的消息
退訂或刪除應用程序的消息
斷開與服務器連接

2.4 MQTT服務器

MQTT服務器稱為“消息代理”(Broker)，可以是一個應用程序或一臺設備。它是位于消息發布者和訂閱者之間，它可以：

接受來自客戶的網絡連接
接受客戶發布的應用信息
處理來自客戶端的訂閱和退訂請求
向訂閱的客戶轉發應用程序消息

2.5 MQTT協議中的訂閱、主題、會話

訂閱(Subscription)

訂閱包含主題篩選器(Topic Filter)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。

會話(Session)

每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態交互。會話存在于一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。

主題名(Topic Name)

連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。

主題篩選器(Topic Filter)

一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。

負載(Payload)

消息訂閱者所具體接收的內容

2.6 MQTT協議中的方法

MQTT協議中定義了一些方法(也被稱為動作)，來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數據或動態生成數據，這取決于服務器的實現。通常來說，資源指服務器上的文件或輸出。

Connect，等待與服務器建立連接

Disconnect，等待MQTT客戶端完成所做的工作，并與服務器斷開TCP/IP會話

Subscribe，等待完成訂閱

UnSubscribe，等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱

Publish，MQTT客戶端發送消息請求，發送完成后返回應用程序線程

3.?MQTT數據結構

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

3.1 MQTT固定頭

固定頭存在于所有MQTT數據包中，其結構如下：

Bit	7	6	5	4	3	2	1	0
byte 1	`MQTT`數據包類型				不同類型`MQTT`數據包的具體標識
byte 2…	剩余長度

3.1.1?MQTT數據包類型

位置：byte 1, bits 7-4。

相于一個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

3.1.2?標識位

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，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。

3.1.3?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