Mqtt协议：写在前面的简单介绍

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是非常流行的设备的接入协议，包括IBM、亚马逊、微软的IoT托管服务都有支持。MQTT基于TCP，是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议（实现了异步Pub/Sub），好比发个微信，无需等待对方确认便可以继续，以及为物联网提供了许多体贴的设计，比如QoS，遗言”的设计。其最大优点在于，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。做为一种低开销、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。
其特点包括：

1. 使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。
2. 对负载内容屏蔽的消息传输机制。
3. 对传输消息有三种服务质量（QoS）：
  - 最多一次，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
  - 至少一次，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>=1
  - 只有一次，确保消息只有一次到达。即：＝1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别
4. 数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有2字节），以减少网络流量
5. 通知机制，异常中断时通知传输双方

二、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
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

* 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）
* 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：

* 发布其他客户端可能会订阅的信息
* 订阅其它客户端发布的消息
* 退订或删除应用程序的消息
* 断开与服务器连接

2.4 MQTT服务器
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：

* 接受来自客户的网络连接
* 接受客户发布的应用信息
* 处理来自客户端的订阅和退订请求
* 向订阅的客户转发应用程序消息

2.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话
订阅（Subscription）
订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。
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。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。
主题名（Topic Name）
连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。
主题筛选器（Topic Filter）
一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。
负载（Payload）
消息订阅者所具体接收的内容

三、MQTT协议解析（MQTT数据包结构）
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

1 MQTT固定头
固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
byte 1 MQTT数据包类型不同类型MQTT数据包的具体标识
byte 2… 剩余长度

1.1 MQTT数据包类型

位置：byte 1, bits 7-4。

相于一个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 双赂发布释放（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

1.2 标识位

位置：byte 1, bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中，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：

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 1 0
PUBCOMP 保留位 0 0 0 0
SUBSCRIBE 保留位 0 0 1 0
SUBACK 保留位 0 0 0 0
UNSUBSCRIBE 保留位 0 0 1 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，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。

1.3 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 MQTT可变头
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 6 5 4 3 2 1 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

3 Payload消息体
Payload消息体位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。

最后关于mqtt协议的安装使用测试可参考这篇文章 http://blog.csdn.net/A493203176/article/details/72328607

Mqtt协议：写在前面的简单介绍

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