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MQTT概览
MQTT是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计。MQTT 是 Message Queuing Telemetry Transport（消息队列遥测传输）的缩写，是 IBM 开发的一个即时通讯协议，它比较适合于在低带宽、不可靠的网络的进行远程传感器和控制设备通讯等，正在日益成为物联网通信协议的重要组成部分。
MQTT官网: http://mqtt.org
MQTT V3.1.1协议规范: http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html
MQTT特点
- 开放消息协议，简单易实现
- 发布订阅模式，一对多消息发布
- 基于TCP/IP网络连接
- 1字节固定报头，2字节心跳报文，报文结构紧凑
- 消息QoS支持，可靠传输保证
MQTT协议的主要特性
- MQTT 协议使用发布 / 订阅消息范式来做到一对多的消息分发以及应用程序的解耦
- MQTT 协议提供了 3 种（QoS）服务质量用于消息传输，适应不同的物联网数据传输场景
- QoS 0：最多一次传送 (只负责传送，发送过后就不管数据的传送情况)
- QoS 1：至少一次传送 (确认数据交付)
- QoS 2：正好一次传送 (保证数据交付成功)
- 通过很小的传输开销，以及最小化的协议交换来减少网络流量
- 发生异常断线时通知各方的机制
MQTT主要应用
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。
- 物联网M2M通信，物联网大数据采集
- Android消息推送，WEB消息推送
- 移动即时消息，例如Facebook Messenger
- 智能硬件、智能家具、智能电器
- 车联网通信，电动车站桩采集
- 智慧城市、远程医疗、远程教育
- 电力、石油与能源等行业市场
MQTT基于主题(Topic)消息路由
MQTT协议基于主题(Topic)进行消息路由，主题(Topic)类似URL路径，例如:
chat/room/1 sensor/10/temperature sensor/+/temperature $SYS/broker/metrics/packets/received $SYS/broker/metrics/#
主题(Topic)通过’/’分割层级，支持’+’, ‘#’通配符:
'+': 表示通配一个层级，例如a/+，匹配a/x, a/y '#': 表示通配多个层级，例如a/#，匹配a/x, a/b/c/d
订阅者与发布者之间通过主题路由消息进行通信，例如采用mosquitto命令行发布订阅消息:
mosquitto_sub -t a/b/+ -q 1 mosquitto_pub -t a/b/c -m hello -q 1
注解
订阅者可以订阅含通配符主题，但发布者不允许向含通配符主题发布消息。
MQTT V3.1.1协议报文
报文结构
| 固定报头(Fixed header) |
| 可变报头(Variable header) |
|
报文有效载荷(Payload) |
固定报头
| Bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| byte1 | MQTT Packet type | Flags | ||||||
| byte2… | Remaining Length | |||||||
报文类型
| 类型名称 | 类型值 | 报文说明 |
| CONNECT | 1 | 发起连接 |
| CONNACK | 2 | 连接回执 |
| PUBLISH | 3 | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | 发布回执 |
| PUBREC | 5 | QoS2消息回执 |
| PUBREL | 6 | QoS2消息释放 |
| PUBCOMP | 7 | QoS2消息完成 |
| SUBSCRIBE | 8 | 订阅主题 |
| SUBACK | 9 | 订阅回执 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | 取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | 取消订阅回执 |
| PINGREQ | 12 | PING请求 |
| PINGRESP | 13 | PING响应 |
| DISCONNECT | 14 | 断开连接 |
PUBLISH发布消息
PUBLISH报文承载客户端与服务器间双向的发布消息。 PUBACK报文用于接收端确认QoS1报文，PUBREC/PUBREL/PUBCOMP报文用于QoS2消息流程。
PINGREQ/PINGRESP心跳
客户端在无报文发送时，按保活周期(KeepAlive)定时向服务端发送PINGREQ心跳报文，服务端响应PINGRESP报文。PINGREQ/PINGRESP报文均2个字节。
MQTT消息QoS
MQTT发布消息QoS保证不是端到端的，是客户端与服务器之间的。订阅者收到MQTT消息的QoS级别，最终取决于发布消息的QoS和主题订阅的QoS。
| 发布消息的QoS | 主题订阅的QoS | 接收消息的QoS |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 2 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 2 | 1 |
| 2 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 |
| 2 | 2 | 2 |
Qos0消息发布订阅
Qos1消息发布订阅
Qos2消息发布订阅
MQTT会话(Clean Session)
MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，可以通过’Clean Session’标志设置会话。
‘Clean Session’设置为0，表示创建一个持久会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销。
‘Clean Session’设置为1，表示创建一个新的临时会话，在客户端断开时，会话自动销毁。
MQTT连接保活心跳
MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，通过KeepAlive参数设置保活周期。
客户端在无报文发送时，按KeepAlive周期定时发送2字节的PINGREQ心跳报文，服务端收到PINGREQ报文后，回复2字节的PINGRESP报文。
服务端在1.5个心跳周期内，既没有收到客户端发布订阅报文，也没有收到PINGREQ心跳报文时，主动心跳超时断开客户端TCP连接。
注解
emqttd消息服务器默认按最长2.5心跳周期超时设计。
MQTT遗愿消息(Last Will)
MQTT客户端向服务器端CONNECT请求时，可以设置是否发送遗愿消息(Will Message)标志，和遗愿消息主题(Topic)与内容(Payload)。
MQTT客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送DISCONNECT消息)，MQTT消息服务器会发布遗愿消息。
MQTT保留消息(Retained Message)
MQTT客户端向服务器发布(PUBLISH)消息时，可以设置保留消息(Retained Message)标志。保留消息(Retained Message)会驻留在消息服务器，后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息。
例如mosquitto命令行发布一条保留消息到主题’a/b/c’:
mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m 'hello'
之后连接上来的MQTT客户端订阅主题’a/b/c’时候，仍可收到该消息:
$ mosquitto_sub -t a/b/c -q 1 hello
保留消息(Retained Message)有两种清除方式:
-
客户端向有保留消息的主题发布一个空消息:
mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m '' -
消息服务器设置保留消息的超期时间。
MQTT WebSocket连接
MQTT协议除支持TCP传输层外，还支持WebSocket作为传输层。通过WebSocket浏览器可以直连MQTT消息服务器，发布订阅模式与其他MQTT客户端通信。
MQTT协议的WebSocket连接，必须采用binary模式，并携带子协议Header:
Sec-WebSocket-Protocol: mqttv3.1 或 mqttv3.1.1
MQTT协议客户端库
emqtt客户端库
emqtt项目组: https://github.com/emqtt
| emqttc | Erlang MQTT客户端库 |
| CocoaMQTT | Swift语言MQTT客户端库 |
| QMQTT | QT框架MQTT客户端库 |
Eclipse Paho客户端库
Paho官网: http://www.eclipse.org/paho/
mqtt.org官网客户端库
mqtt.org: https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries
MQTT与XMPP协议对比
MQTT协议设计简单轻量、路由灵活，将在移动互联网物联网消息领域，全面取代PC时代的XMPP协议:
- MQTT协议一个字节固定报头，两个字节心跳报文，报文体积小编解码容易。XMPP协议基于繁重的XML，报文体积大且交互繁琐。
- MQTT协议基于主题(Topic)发布订阅模式消息路由，相比XMPP基于JID的点对点消息路由更为灵活。
- MQTT协议未定义报文内容格式，可以承载JSON、二进制等不同类型报文。XMPP协议采用XML承载报文，二进制必须Base64编码等处理。
- MQTT协议支持消息收发确认和QoS保证，XMPP主协议并未定义类似机制。MQTT协议有更好的消息可靠性保证。
MQTT 在线测试工具
MQTT Web Toolkit 是 EMQ 最近开源的一款 MQTT (WebSocket) 测试工具，支持在线访问使用。该工具采用了聊天界面形式，简化了页面操作逻辑，方便用户快速测试验证 MQTT 应用场景：
- 支持通过普通或者加密的 WebSocket 端口连接至 MQTT 消息服务器；
- 链接的新建、编辑、删除以及缓存链接方便下次访问使用；
- 不同链接的订阅列表管理；
- 消息发布、接收、以及接收到新消息时提示，同时支持按照消息类型过滤消息列表。
访问 http://tools.emqx.io 即可查看使用。
参考资料
MQTT协议介绍 (Protocol)：https://docs.emqx.io/broker/latest/cn/protocol.html#mqtt