1. MQTT(物联网协议)是什么（提供稳定，可靠，简单易用的通信基础）
- MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议是基于TCP/IP 协议栈构建的异步 通信消息协议，是一种轻量级的、客户端服务端架构的、发布/订阅模式的消息传输协议。
- MQTT协议的特点:
- 简单易用，方便集成。
- 安全可靠，支持TLS/SSL加密和认证机制。
- 轻量级，占用带宽小，支持多种消息传输模式。
- 灵活性，可知设备连接状态，可控数据传输质量。
**2.**MQTT原理
- 在 MQTT 协议通讯中，最重要的两个角色是服务端和客户端 。客户端 向一**「主题」「发布」** 消息，服务端 处理并推送给**「订阅」了该「主题」** 的其他客户端。
- 例子:张三(客户端)在美食区(主题)发布了视频，李四关注了张三并且还特别关注(订阅)了张三的美食区(主题)的视频，只要李四一上线服务器会推送关于美食的视频给他，但是，如果张三发布的其他视频，那么李四将不会收到。
- 服务端
- MQTT 服务端通常是一台服务器，它充当着 MQTT 信息传输的中心节点 。其主要功能是接收来自 MQTT 客户端的信息并将其传递给其他 MQTT 客户端。此外，MQTT 服务端还负责管理客户端 ，确保客户端之间的通信畅通无阻，并确保 MQTT 消息被正确接收和准确投递。
- 如图
- 注:服务端一般就是云平台，OneNET、阿里云、腾讯云等；也可以用 EMQ 或 Mosquitto 自己搭建服务端。
- 客户端:
- MQTT 客户端可以向服务端通过「发布」发送信息，也可以从服务端「订阅」来收取信息。
- 客户端一般就是我们的单片机。
- 主题:
- 在 MQTT 通讯中，客户端订阅的是一个个**「主题」** 。MQTT 服务端在管理信息通讯时，使用「主题」来控制。
- 发布与订阅的特点:
- 相互独立:客户端相互独立，彼此没有直接联系，不用知道对方的任何状态、情况。（通过服务端关联的，彼此是不会关联）
- 空间分离:客户端只要连接同一个 MQTT 通讯网络，无论是互联网或者局域网都可以通讯。
- 时间异步 :客户端的发布与订阅无需同步。若有客户端断连，服务端将保存信息，待客户端上线后推送。
3. MQTT报文
- MQTT 协议通过交换预定义的 MQTT 控制报文来通信。MQTT 控制报文简称 MQTT 报文。
- 报文结构:一个 MQTT 报文由固定报头、可变报头、有效载荷 三部分组成。
- 固定报头（Fixed header），所有 MQTT 报文都有，表示报文类型及报文的分组类标识。
- 可变报头（Variable header），部分 MQTT 报文有，报文类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
- 有效载荷/消息体（Payload），部分 MQTT 报文有，存放报文的具体内容。
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如图:
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固定报头**:4-7bit** 是报文类型 ，0-3bit 是控制报文类型的标识符 (DUP,QoS,RET) 。
- 报文类型:4-7Bit,如下图
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标志位(DUP,Qos,RET)
- 位于 byte 1 的第 3-0 位，表示 MQTT 报文的分组类标识 。在不使用标识位的报文类型中，标识位被做为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接。
- DUP:发送消息的副本，通常是0
- Qos:发布消息的服务质量
- RETAIN:发布保留标识，通常也是0
- DUP 位和 RET 位在 MQTT 协议中具有特定的作用，默认情况下它们通常设置为 0 ，以符合大多数应用场景的需求。只有在特定情况下，如需要重传或保留消息时，才会将这些标志位设置为 1。
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图:
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- 剩余长度:位于 byte 2 的第 3~0 位 ，表示当前剩余字节数 ，包括可变报头和有效载荷的数据。
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可变报头
- 某些 MQTT 报文有可变头。它在固定报头和有效载荷之间。可变头的内容根据报文类型 的不同而不同。可变头的报文标识符字段存在于在多个类型的报文里。
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有效载荷
- 有效载荷就是应用消息，但并不是所有的报文都有有效载荷，只有部分 MQTT 报文有有效载荷。
4. 服务质量
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QoS（Quality of Service，服务质量）。在数据通信的过程中，有的消息很重要，不可以丢失；有的消息不重要，丢了也没关系。所以在 MQTT 中可以配置 QoS，给不同重要程度的消息设置不同的服务质量。
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MQTT 协议有三种服务质量级别：
- QoS = 0：最多发一次
- QoS = 1：最少发一次
- QoS = 2：保证收一次
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对于不同重要级的消息选择不同的 QoS，较为重要消息的使用 QoS = 1 和 QoS = 2。
- QoS = 0:最多发送一次
- 这种服务质量消息最多只发送一次。接收者不会发送响应，发送者也不会重发。消息可能送达一次也可能根本没送达。
- QoS = 0:最多发送一次
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如图
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QoS = 1:最少发送一次
- 服务质量确保消息至少送达一次 。QoS 1 的 PUBLISH 报文的可变报头中包含一个报文标识符，需要 PUBACK 报文确认。
- 消息会被传递至少一次。
- 如果客户端没有在规定时间内确认收到消息，消息将被重新发送。
- 可能会出现消息重复的情况。
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如图:
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QoS = 2：保证收一次
- 这是最高等级的服务质量，消息丢失和重复 都是不可接受的 。使用这个服务质量等级会有额外的开销。QoS 2 的消息可变报头中有报文标识符。QoS 2 的 PUBLISH 报文的接收者使用一个两步确认过程来确认收到。
- 消息会被传递恰好一次。
- 使用两阶段提交协议来确保消息不会重复。
- 提供最高的消息服务质量
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QoS 1 和QoS2区别:
- QoS 1：消息会被传递至少一次，可能出现重复。
- QoS 2：消息会被传递恰好一次，不会出现重复。
5. MQTT心跳机制
- 由于客户端和服务端在没有数据传输的时候，双方是不知道之间的状态的，不知道是不是还在连接还是已经断连，这时候需要客户端定期发送一些数据包，也可以说是心跳包给服务端，告诉服务端还连接着，然后服务端也回发一条报文，告知客户端
6. MQTT遗嘱
- 在连接成功的时候，客户端先把自己的遗嘱给服务端，万一客户端意外断连了，服务端就可以执行遗嘱了，公布遗嘱。
- 意外断线 指的是当客户端在没有发送DISCONNECT 报文的情况下失去了心跳信号，这通常发生在网络故障或电池耗尽等情况下。此时，服务端会察觉到客户端的异常断开，并将客户端的遗嘱消息发布出来。然而，如果客户端正常断开连接并发送了 DISCONNECT 报文，遗嘱则不会启动，服务端也不会发布客户端的遗嘱消息。