1. 什么是MQTT？
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。
2. MQTT的优点和应用范围
最大优点：用极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。
应用范围：广泛应用于物联网、M2M通信、智能家居、工业自动化、智能交通、智能农业、环境监测等领域。例如，在智能家居领域，MQTT可以实现各种智能设备之间的互联互通和远程控制
- 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(opens new window)
- MQTT v5.0 协议规范: http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v5.0/os/mqtt-v5.0-os.html
3. MQTT订阅与发布
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。
MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。
提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。
MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心 。目前主流的MQTT服务器有：Eclipse Mosquitto、EMQ X、HiveMQ CE、VerneMQ（下一篇将基于EMQ X进行实战讲解）
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议中的发布者、订阅者、代理和主题是其核心概念，它们共同构建了一个灵活且可扩展的消息传递系统。
发布者（Publisher）：
发布者是MQTT协议中的消息发送方。它们负责创建并发布消息到MQTT代理（Broker）。发布者将消息发送到特定的主题（Topic），而不直接发送给特定的订阅者。这使得发布者无需知道哪些订阅者正在监听其发布的消息，从而实现了发布者和订阅者之间的解耦。
订阅者（Subscriber）：
订阅者是MQTT协议中的消息接收方。它们向MQTT代理订阅感兴趣的主题，并接收该主题上发布的所有消息。订阅者可以根据需要订阅多个主题，以便接收来自不同源的消息。一旦订阅者接收到消息，它们可以根据自己的业务逻辑对消息进行处理。
代理（Broker）：
MQTT代理是MQTT协议中的核心组件，负责在发布者和订阅者之间传递消息。代理接收发布者发送的消息，并根据订阅者的订阅信息将消息转发给相应的订阅者。代理还负责管理订阅关系，确保消息能够准确地发送给需要的订阅者。此外，代理还可以提供持久化存储功能，以便在订阅者离线时保存消息，并在订阅者重新上线时发送这些消息。
主题（Topic）：
主题是MQTT协议中用于对消息进行分类的关键概念。它是一个UTF-8编码的字符串，可以包含多个层级关系（通过斜杠/表示）。发布者将消息发布到特定的主题，而订阅者则订阅感兴趣的主题以接收消息。主题的设计使得MQTT协议能够支持灵活的消息传递模式，允许不同的设备和应用程序通过共享的主题进行通信。
4. QoS（Quality of Service levels）
MQTT 协议中规定了消息服务质量（Quality of Service），它保证了在不同的网络环境下消息传递的可靠性，QoS 的设计是 MQTT 协议里的重点。
4.1 QoS 0 最多分发一次
这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1
4.2 QoS 1 至少分发一次
QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。
4.3 QoS 2 只分发一次
使用 QoS 2，我们保证消息仅传送到目的地一次。为此，带有唯一消息 ID 的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者。QoS 级别 2 在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。
如何决定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。
5. MQTT 数据包结构
固定报头（Fixed header），存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
可变报头（Variable header），存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
有效载荷（Payload），存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。
整体MQTT的消息格式如下图所示；
5.1 MQTT固定头
每个MQTT控制包都包含一个固定报头
消息类型
标识位（bit0~3）
DUP1: 控制报文的重复分发标志
QoS2：PUBLISH报文的服务质量等级
RETAIN3: PUBLISH报文的保留标志
剩余长度
剩余长度是一个可变字节整数，表示当前控制报文中剩余的字节数，包括可变报头和有效载荷中的数据。
可变报头
可变报头位于固定报头和有效载荷之间，可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。通常都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK
有效载荷
Payload有效载荷位于MQTT数据包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型包含有效载荷。
CONNECT有效载荷内容主要是：客户端的ClientID、遗嘱主题、遗嘱Message以及用户名和密码。
SUBSCRIBE有效载荷内容是主题过滤器指明需要订阅的Topic以及QoS。
SUBACK有效载荷内容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。UNSUBSCRIBE有效载荷内容是客户端想要取消订阅的主题过滤器。