MQTT协议

一.MQTT简介

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport 消息队列遥测传输)，是一种轻量级、低带宽消耗、低资源占用的 发布/订阅 （Pub/Sub）模式通信协议。它最初由IBM开发，最初用于石油行业远程设备数据采集， 如今已成为物联网（IoT）、工业互联网（IIoT）、智能家居等场景的核心通信协议。MQTT被广泛用于物联网(IoT:Internet of Things)领域，其中大量的设备需要进行实时通信和数据交换。它采用了 一种发布/订阅(publish/subscribe)模型，其中消息的发送者（发布者）将消息发布到特定的主题（topic），而订阅者可以选择性地订阅感兴趣的主题，以接收相应的消息。

二.MQTT的特点

1.轻量级

MQTT的设计非常轻量，协议头部非常小，传输的数据量很小，适用于带宽有限的网络环境，如低速、高延迟或不稳定的网络。

2.异步通信

MQTT使用异步通信模式 ，发布者发送消息后，不需要等待接收者的响应，可以继续执行其他操作。这种异步通信模式适合在资源有限的设备和网络中工作。

3.简单

MQTT的协议规范相对简单，易于实现和部署。它定义了少量的消息类型和协议操作，使得开发人员可以快速上手。

4.可靠性

MQTT支持三种不同的消息传递质量（QoS）级别：QoS 0（至多一次），QoS 1（至少一次）和QoS 2（只有一 次） 。这使得可以根据应用程序的要求选择适当的消息交付保证级别。

5.网络状况适应性

MQTT可以适应不稳定的网络状况，如网络中断、重连等。它具有断开连接后自动重连的机制，可以确保消息的可靠传输。

三.MQTT通信架构的三角色

MQTT的通信架构由发布者（Publisher）、订阅者（Subscriber）、Broker（代理服务器） 三个核心角色组成，
三者协同实现消息流转：

四.MQTT的主要概念

1.主题（Topic）：消息的"地址"

Topic是MQTT中消息的分类标识，类似 "文件夹路径"，采用斜杠（/）分层，Subscriber通过订阅Topic接收特定消息， Publisher通过指定 Topic发送消息。一个主题可以有多个订阅者，代理会将该主题下的消息转发给所有订阅 者；一个主题也可以有多个发布者，代理将按照消息到达的顺序发。
常见Topic格式：智能家居： home/livingroom/light/status （客厅灯状态）、 home/bedroom/temp （卧室温度）
特殊Topic：通配符
订阅时可使用通配符匹配多个Topic，发布消息时不支持通配符 ：
+（单层通配符）：匹配一层Topic，如订阅home/+/temp ，可接收home/livingroom/temp home/bedroom/temp ，但无法接收 home/bedroom/temp/humidity 。
#（多层通配符）：匹配当前及所有子层Topic（必须放在Topic末尾），如订阅home/# ，可接收
home/livingroom/light 、 home/bedroom/temp/humidity 等所有以 home/ 开头的Topic。

2.客户端标识符（Client ID）

每个连接到Broker的设备（Publisher/Subscriber）必须有唯一的Client ID，用于Broker识别设备、维护会话 （如持久会话的消息存储）。若 Client ID重复，Broker 会断开先连接的设备。

五.MQTT QoS

1.QoS介绍:

很多时候，使用MQTT协议的设备都运行在网络受限的环境下，**而只依靠底层的TCP传输协议，并不能完全保证消息的可靠到达。**因此，MQTT提供了QoS（Quality of Service）机制，其核心是设计了多种消息交互机制来提供不同的服务质量，来满足用户在各种场景下对消息可靠性的要求。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议支持三种不同的QoS级别，用于控制消息的可靠性和传输保证。

MQTT的三个QoS级别:QoS 0（至多一次），QoS 1（至少一次）和QoS 2（只有一次）。

2.QoS 0（至多一次）

在QoS 0级别下，消息以**"至多一次"传输，没有确认机制。消息被发布后，发布者不会接收到关于消息是否成功传输或交付的确认。MQTT代理会尽最大努力将消息传输给订阅者，但可能会出现消息丢失或重复的情况。此级别适用于对消息传输的可靠性要求不高的场景，如传感器数据的临时更新等。

为什么 QoS 0 消息会丢失？
当我们使用QoS 0传递消息时，消息的可靠性完全依赖于底层的TCP协议。**而TCP只能保证在连接稳定不关闭的情况下消息的可靠到达，一旦出现连接关闭、重置，仍有可能丢失当前处于网络链路或操作系统底层缓冲区中的消息。这也是QoS 0消息最主要的丢失场景。

3.QoS 1（至少一次）

为了保证消息到达，QoS 1加入了应答与重传机制，**发送方只有在收到接收方的PUBACK报文以后，才能认为消息投递成功，**在此之前，发送方需要存储该PUBLISH报文以便下次重传。
如果发布者没有收到确认消息，它会再次发送相同的消息，直到收到确认为止。MQTT代理会确保消息至少传输一次给订阅者，但可能会出现重复传输的情况。此级别适用于对消息传输的可靠性要求较高的场景，如控制指令的传递。
QoS 1需要在PUBLISH报文中设置Packet ID，而作为响应的PUBACK报文，则会使用与PUBLISH报文相同的Packet ID，以便发送方收到后删除正确的 PUBLISH报文缓存。

4.QoS 2（只有一次）

在QoS 2级别下，消息以"只有一次"传输，确保仅传输一次。发布者发送消息后，会等待MQTT代理发送两个确认消息 （PUBREC和PUBCOMP）来确认消息的接收和完成。MQTT代理会确保消息仅传输一次给订阅者，没有重复传输的情况。
此级别提供了最高的消息传输可靠性，但也伴随着更高的网络开销。此级别适用于对消息传输的可靠性要求非常高的场景，如金融交易或严格的数据同步。
PUBREC -- 发布收到报文 （QoS 2，第一步）；
PUBREL -- 发布释放（QoS 2，第二步）；
PUBCOMP-- 发布完成（QoS 2，第三步）
oS 2解决了QoS 0、1消息可能丢失或者重复的问题，但相应地，它也带来了最复杂的交互流程和最高的开销。每一次的QoS 2****消息投递，都要求发送方与接收方进行至少两次请求/响应流程。

首先，发送方存储并发送 QoS 为 2 的PUBLISH报文以启动一次QoS 2消息的传输，然后等待接收方回复PUBREC报文。这一部分与 QoS 1 基本一致，只是响应报文从PUBACK变成了PUBREC。
当发送方收到****PUBREC报文，即可确认对端已经收到了PUBLISH 报文，发送方将不再需要重传这个报文，并且也不能再重传这个报文。所以此时发送方可以删除本地存储的 PUBLISH 报文，然后
发送一个PUBREL报文，通知对端自己准备将本次使用的Packet ID **标记为可用了。**与PUBLISH报文一样，我们需要确保PUBREL报文到达对端，所以也需要一个响应报文，并且这个PUBREL报文需要被存储下来以便后续重传。
当接收方收到PUBREL报文，也可以确认在这一次的传输流程中不会再有重传的PUBLISH报文到达，因此回复PUBCOMP报文表示自己也准备好将当前的Packet ID用于新的消息了。
当发送方收到PUBCOMP报文，这一次的QoS 2消息传输就算正式完成了。在这之后，发送方可以再次使用当前的Packet ID发送新的消息，而接收方再次收到使用这个Packet ID的PUBLISH报文时，也会将它视为一个全新的消息。
选择合适的QoS级别取决于应用程序对消息传输可靠性和网络开销的要求。更高的QoS级别提供了更可靠的传输，但同时也增加了网络开销。因此，需要根据具体场景的需求来选择适当的级别。

六.MQTT协议格式分析

<1>MQTT固定头

固定头 存在于所有 MQTT数据包中，大小为俩个字节，其结构如下：

1.MQTT消息类型/ message type

2 标识位 / DUP

重发标识(Dup Flag)。如果DUP标志被设置为0，表示这是客户端或服务端第一次发送这个PUBLISH报文，如果DUP标志被设置为1,表示这可能是一个早期报文请求的重发。客户端或服务器端请求重发一个PUBLISH报文时，必须将DUP标志设置为1.对于QoS为0的消息，DUP标志必须设置为0

3 QoS发布消息的服务质量

00：最多一次 01：至少一次 10：只有一次 11：预留

4.RETAIN发布保留标识

发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。

5 剩余长度（Remaining Length）

剩余长度字段使用了一种可变长度编码方式，可以占用1到4个字节。每个字节的最高位（bit 7）表示后续字节是否是剩余长度的一部分。如果最高位为1**，表示后续字节也是剩余长度的一部分；如果最高位为0，则表示这是最后一个字节，不再是剩余长度的一部分。**
如果第一个字节的最高位为0，则说明剩余长度只有一个字节，并且其值就是这个字节的值。
如：0100 0000 那么剩余长度的真实值就是：64。
如果剩余长度超过一个字节，那么就需要将每个字节的最高位去掉，然后组成一个新的数据，计算其值，下面举例说明： 2个字节长度的剩余长度计算。
第一个字节为 1010 0000 第二个字节为 0000 0001
去掉标志位后，第一个字节为 010 0000 第二个字节为 000 0001
合并时，后面的字节在高位，则合并后值为：000 0001 010 0000，则剩余长度的值为十进制的160；

<2>MQTT可变头 / Variable header

MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是做为包的ID标识：

很多类型数据包中都包括一个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。。

<3>Payload****消息体

Payload消息体是MQTT数据包的第三部分，Payload意思是消息载体的意思。如PUBLISH的Payload就是应用程序发布的消息内容。还有一些消息类型，携带的payload含有特殊含义的数据。如CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息有消息体：
CONNECT 消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、以及用户名和密码；
SUBSCRIBE 消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS；
SUBACK 消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
UNSUBSCRIBE 消息体内容是要订阅的主题。