1.MQTT协议介绍
1.1 MQTT简介
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，可以以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。
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。
1.2 MQTT协议设计规范
由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：
（1）精简，不添加可有可无的功能；
（2）发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递，解耦Client/Server模式，带来的好处在于不必预先知道对方的存在（ip/port），不必同时运行；
（3）允许用户动态创建主题（不需要预先创建主题），零运维成本；
（4）把传输量降到最低以提高传输效率；
（5）把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；
（6）支持连续的会话保持和控制（心跳）；
（7）理解客户端计算能力可能很低；
（8）提供服务质量（ quality of service level：QoS）管理；
（9）不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性（指的是应用层业务数据）。
1.3 MQTT协议主要特性
MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：
（1）开放消息协议，简单易实现。
（2）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
（3）对负载（协议携带的应用数据）内容屏蔽的消息传输。
（4）基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。
主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。
（5）消息服务质量（QoS）支持，可靠传输保证；有三种消息发布服务质量：QoS0：“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下
情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。
QoS1：“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
QoS2：“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的
推送，确保用户收到且只会收到一次。
（6）1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。
这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。
（7）在线状态感知：使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备，发送遗言的设备已经断开了连接。
Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。
1.4 MQTT协议应用领域
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
2.MQTT协议原理
2.1 MQTT协议实现方式
实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：
（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。
2.2 网络传输与应用消息
MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。
当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。
##2.3 MQTT客户端
一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：
（1）发布其他客户端可能会订阅的信息；
（2）订阅其它客户端发布的消息；
（3）退订或删除应用程序的消息；
（4）断开与服务器连接。
2.4 MQTT服务器端
MQTT服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者
之间，它可以：
（1）接受来自客户的网络连接；
（2）接受客户发布的应用信息；
（3）处理来自客户端的订阅和退订请求；
（4）向订阅的客户转发应用程序消息
2.5 发布/订阅、主题、会话
MQTT 是基于 发布(Publish)/订阅(Subscribe) 模式来进行通信及数据交换的，与HTTP的请求(Request)/应答(Response) 的模式有本质的不同。
订阅者(Subscriber) 会向 消息服务器(Broker) 订阅一个 主题(Topic) 。成功订阅后，消息服务器会将该主题
下的消息转发给所有的订阅者。
主题(Topic)以 ‘/’ 为分隔符区分不同的层级。包含通配符 ‘+’ 或 ‘#’ 的主题又称为 主题过滤器(Topic Filters); 不
含通配符的称为 主题名(Topic Names) 例如:
chat/room/1
sensor/10/temperature
sensor/+/temperature
$SYS/broker/metrics/packets/received
$SYS/broker/metrics/#'+': 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
注: '+' 通配一个层级，'#' 通配多个层级(必须在末尾)。会话（Session）
每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。
2.6 MQTT协议中的方法
MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存
在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：
（1）CONNECT：客户端连接到服务器
（2）CONNACK：连接确认
（3）PUBLISH：发布消息
（4）PUBACK：发布确认
（5）PUBREC：发布的消息已接收
（6）PUBREL：发布的消息已释放
（7）PUBCOMP：发布完成
（8）SUBSCRIBE：订阅请求
（9）SUBACK：订阅确认
（10）UNSUBSCRIBE：取消订阅
（11）UNSUBACK：取消订阅确认
（12）PINGREQ：客户端发送心跳
（13）PINGRESP：服务端心跳响应
（14）DISCONNECT：断开连接
（15）AUTH：认证
3. MQTT协议数据包结构
官方文档中对于MQTT协议包的结构有着具体的说明：https://mqtt.p2hp.com
在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息（payload）三部分构成。MQTT数据包结构如下：
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（1）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，如连接，发布，订阅，心跳等。其中固定头是必须的，所有类型的MQTT协议中，都必须包含固定头。
（2）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。可变头部不是可选的意思，而是指这部分在有些协议类型中存在，在有些协议中不存在。（3）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。 与可变头一样，在有些协议类型中有消息内容，有些协议类型中没有消息内容。
3.1 固定头（Fixed header）
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固定头存在于所有MQTT数据包中， 固定头包含两部分内容，首字节(字节1)和剩余消息报文长度(从第二个字节开始，长度为1-4字节)，剩余长度是当前包中剩余内容长度的字节数，包括变量头和有效负载中的数据）。剩余长度不包含用来编码剩余长度的字节。
剩余长度使用了一种可变长度的结构来编码，这种结构使用单一字节表示0-127的值。大于127的值如下处理。每个字节的低7位用来编码数据，最高位用来表示是否还有后续字节。因此每个字节可以编码128个值，再加上一个标识位。剩余长度最多可以用四个字节来表示。
数据包类型
位置：第一个字节(Byte 1) 中的7-4个bit位(Bit[7-4])，表示4位无符号值
通过第一个字节的高4位确定消息报文的类型，4个bit位能确定16种类型，其中0000和1111是保留字段。MQTT消息报文类型如下：
报文类型 | 字段值 | 数据方向 | 描述 | 7-4bit值 |
保留 | 0 | 禁用 | 保留 | 0000 |
CONNECT | 1 | Client—>Server | 客户端连接到服务器 | 0001 |
CONNACK | 2 | Server —> Client | 连接确认 | 0010 |
PUBLISH | 3 | Client <–> Server | 发布消息 | 0011 |
PUBACK | 4 | Client <–> Server | 发布确认(QoS1) | 0100 |
PUBREC | 5 | Client <–> Server | 消息已接收(Qos2 第一阶段) | 0101 |
PUBREL | 6 | Client <–> Server | 消息释放(QoS2 第二阶段) | 0110 |
PUBCOMP | 7 | Client <–> Server | 发布结束(QoS2 第三阶段) | 0111 |
SUBSCRIBE | 8 | Client —> Server | 客户端订阅请求 | 1000 |
SUBACK | 9 | Server—>Client | 服务端订阅确认 | 1001 |
UNSUBACRIBE | 10 | Client —> Server | 客户端取消订阅 | 1010 |
UNSUBACK | 11 | Server —> Client | 服务端取消订阅确认 | 1011 |
PINGREQ | 12 | Client—>Server | 客户端发送心跳 | 1100 |
PINGRESP | 13 | Server —> Client | 服务端回复心跳 | 1101 |
DISCONNECT | 14 | Client—>Server | 客户端断开连接请求 | 1110 |
AUTH（V5.0使用） | 15 | Client <–> Server | 认证数据交换 | 1111 |
标志位
位置：第一个字节中的0-3个bit位(Bit[3-0])。意思是字节位Bit[3-0]用作报文的标识。
首字节的低4位(bit3~bit0)用来表示某些报文类型的控制字段，实际上只有少数报文类型有控制位，如下图：
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（1）：其中Bit[3]为DUP字段，如果该值为1，表明这个数据包是一条重复的消息；否则该数据包就是第一次发布的消息。
（2）：Bit[2-1]为Qos字段：
如果Bit 1和Bit 2都为0，表示QoS 0：至多一次；
如果Bit 1为1，表示QoS 1：至少一次；
如果Bit 2为1，表示QoS 2：只有一次；
如果同时将Bit 1和Bit 2都设置成1，那么客户端或服务器认为这是一条非法的消息，会关闭当前连接
（3）：Bit[0]为RETAIN字段，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。
MQTT消息QoS
MQTT发布消息服务质量保证（QoS）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
[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-UPthBbeR-1645880926491)(Qos0.png)]
Qos1消息发布订阅
[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-qnUJwqaH-1645880926491)(Qos1.png)]
Qos2消息发布订阅
[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-EoiHwkVV-1645880926492)(Qos2.png)]
3.2 可变头(Variable Header)
可变头的意思是可变化的消息头部。有些报文类型包含可变头部有些报文则不包含。可变头部在固定头部和消息内容之间，其内容根据报文类型不同而不同。
[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-zuT0y4ms-1645880926492)(varHearder.png)]
协议名
协议名是表示协议名MQTT的UTF-8编码的字符串。MQTT规范的后续版本不会改变这个字符串的偏移和长度
[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-OGj0GJIH-1645880926492)(xieyi.png)]
协议版本
位无符号值表示客户端的版本等级。3.1.1版本的协议等级是4，MQTT v5.0的协议版本字段为5（0x05）
User Name Flag
如果User Name Flag设置为0，那么用户名不必出现在载荷中
如果User Name Flag设置为1，那么用户名必须出现在载荷中
Password Flag
如果Password Flag设置为0，那么密码不必出现在载荷中
如果Password Flag设置为1，那么密码必须出现在载荷中
如果User Name Flag设置为0，那么Password Flag必须设置为0
3.3 消息体(Payload)
有些报文类型是包含Payload的，Payload意思是消息载体的意思
如PUBLISH的Payload就是指消息内容（应用程序发布的消息内容）。而CONNECT的Payload则包含Client Identififier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息。
包含payload的报文类型如下
[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-vZDhVwYF-1645880926493)(payload.png)]
总结
Fixed Header中包含首字节，高4位用来表示报文类型，低4位用于类型控制。目前只有PUBLISH使用了类型控制字段。其它控制字段被保留并且必须与协议定义保持一致。
Fixed Header同时包含Remaining Length，这是剩余消息长度，最大长度为4字节，理论上一条MQTT最大可以传输256MB数据。Remaining Length=Variable Header+Payload长度。
Variable Header是可变头部，有些报文类型中需要包含可变头部，可变头部根据报文类型不同而不同。比如Packet Identififier在发布，订阅/取消订阅等报文中都使用到。
Payload是消息内容，也只在某些报文类型中出现，其内容和格式也根据报文类型不同而不同。
