本文转载自微信公众号「小麦大叔」，作者菜刀和小麦。转载本文请联系小麦大叔公众号。
大家好，我是小麦，最近做了一个物联网的项目，顺便总结一下MQTT协议。大家都知道，MQTT协议在物联网中很常用，如果你对此还不是很了解，相信这篇文章可以带你入门。
- mqtt协议
- 1 MQTT协议特点
- 发布和订阅
- QoS(Quality of Service levels)
- 2 MQTT 数据包结构
- 2.1 MQTT固定头
- 2.2 MQTT可变头 / Variable header
- 2.3 Payload消息体
- 3 环境搭建
- 3.1 MQTT服务器搭建
- 3.2 MQTT Client
- 4 总结
mqtt协议
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。
MQTT最大优点在于，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。
作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
1、MQTT协议特点
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。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)。
其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。
MQTT协议当前版本为，2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外，还有一个简化版MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络，如：ZigBee。
MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。
MQTT OSI
发布和订阅
MQTT使用的发布/订阅消息模式，它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。
这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器(即点对点)，而是由MQTT server(或称为 MQTT Broker)分发的。
MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。
它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。
服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者!
客户端可以发布消息(发送方)、订阅消息(接收方)或两者兼而有之。
客户端(也称为节点)是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。
消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。
我们来看看下面的设置。
- 光伏发电站是发布者(Publisher)。
- 主要主题(Topic)级别是"PV"，这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data";
- "PV/sunshine"是一个布尔值(true/fault，也可以是 1/0)，充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车(仅在阳光普照时 :))。
- 充电站(EVSE)是订阅者，订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。
- "PV/data" 另一方面，以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率，并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅，以生成一天内传输功率的图表。
这就是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示;
MQTT 发布和订阅
QoS(Quality of Service levels)
服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器，则客户端将是发送者，MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。
QoS 0
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
QoS 1
QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。
QoS 2
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。
2、MQTT 数据包结构
- 固定头(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;
- 消息体(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;
2.1 MQTT固定头
固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：
下面简单分析一下固定头的消息格式;
MQTT消息类型 / message type
**位置：**byte 1, bits 7-4。
4位的无符号值，类型如下：
| 名称 | 值 | 流方向 | 描述 |
|---|---|---|---|
| Reserved | 0 | 不可用 | 保留位 |
| CONNECT | 1 | 客户端到服务器 | 客户端请求连接到服务器 |
| CONNACK | 2 | 服务器到客户端 | 连接确认 |
| PUBLISH | 3 | 双向 | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | 双向 | 发布确认 |
| PUBREC | 5 | 双向 | 发布收到（保证第1部分到达） |
| PUBREL | 6 | 双向 | 发布释放（保证第2部分到达） |
| PUBCOMP | 7 | 双向 | 发布完成（保证第3部分到达） |
| SUBSCRIBE | 8 | 客户端到服务器 | 客户端请求订阅 |
| SUBACK | 9 | 服务器到客户端 | 订阅确认 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | 客户端到服务器 | 请求取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | 服务器到客户端 | 取消订阅确认 |
| PINGREQ | 12 | 客户端到服务器 | PING请求 |
| PINGRESP | 13 | 服务器到客户端 | PING应答 |
| DISCONNECT | 14 | 客户端到服务器 | 中断连接 |
| Reserved | 15 | 不可用 | 保留位 |
标识位 / DUP
**位置：**byte 1, bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：
| 数据包 | 标识位 | 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：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为
1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。
- QoS发布消息的服务质量(前面已经做过介绍)，即：保证消息传递的次数
- 00：最多一次，即：<=1
- 01：至少一次，即：>=1
- 10：一次，即：=1
- 11：预留
- RETAIN：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。
剩余长度(Remaining Length)
位置：byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为 1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0
2.2 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标识：
| Bit | 7 — 0 |
|---|---|
| byte 1 | 包标签符（MSB） |
| byte 2… | 包标签符（LSB） |
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
2.3 Payload消息体
Payload消息体是MQTT数据包的第三部分，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、Message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。
3、环境搭建
介绍完基础理论部分，下面在Windows平台上搭建一个简单的MQTT应用，进行简单的应用，整体架构如下图所示;
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ScRucIVO-1625480723109)(架构图.png)]
3.1 MQTT服务器搭建
目前MQTT代理的主流平台有下面几个：
- Mosquitto：https://mosquitto.org/
- VerneMQ：https://vernemq.com/
- EMQTT：http://emqtt.io/
本文将使用 Mosquitoo 进行测试，进入到安装页面，下载自己电脑的系统所适配的程序;
下载页面
安装成功之后，进入到安装路径下，找到mosquitto.exe;
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YXZupgOv-1625480723111)(image-20210705171401654.png)]
按住Shift，右键鼠标点击空白处，然后打开Powershell，正常打开一个终端软件即可;
- 输入./mosquitto.exe -h 可以查看相应的帮助;
- 输入./mosquitto.exe -p 10086，就开启了MQTT服务，监听的地址是127.0.0.1，端口是10086;
具体如下图所示;
3.2 MQTT Client
服务器搭建好了，下面就是开启客户端，进行发布和订阅，这样就可以传输相应的消息。
这里我使用的是自己编译了一个QT mqtt client 程序，是基于Qt的官方库进行编译的，下面打开这个软件，下一期简单介绍一下如何完成这个客户端，并设置好相应参数：
- 地址：127.0.0.1
- 端口：10086
然后订阅主题，就可以互相发送数据了，具体如下图所示;
结合前面的图片来看，整体的架构如下所示;
4、总结
本文简单介绍了MQTT协议的工作原理，以及相应的协议格式，简单介绍了协议的一些细节，具体举出了相应的应用场景，作者水平和能力有限，文中难免存在错误和纰漏，请大佬不吝赐教。
本期就到此结束了，我是小麦，我们下期再见。
