MQTT协议入门介绍

Bertha 。 2023-07-03 10:34 24阅读 0赞

**目录**

MQTT概览

MQTT特点

MQTT协议的主要特性

MQTT主要应用

MQTT基于主题(Topic)消息路由

MQTT V3.1.1协议报文

MQTT消息QoS

MQTT会话(Clean Session)

MQTT连接保活心跳

MQTT遗愿消息(Last Will)

MQTT保留消息(Retained Message)

MQTT WebSocket连接

MQTT协议客户端库

MQTT与XMPP协议对比

MQTT 在线测试工具

参考资料

--------------------

## MQTT概览 ##

MQTT是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计。MQTT 是 Message Queuing Telemetry Transport（消息队列遥测传输）的缩写，是 IBM 开发的一个即时通讯协议，它比较适合于在低带宽、不可靠的网络的进行远程传感器和控制设备通讯等，正在日益成为物联网通信协议的重要组成部分。

MQTT官网: [http://mqtt.org][http_mqtt.org]

MQTT V3.1.1协议规范: [http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html][http_docs.oasis-open.org_mqtt_mqtt_v3.1.1_os_mqtt-v3.1.1-os.html]

## MQTT特点 ##

1.  开放消息协议，简单易实现
2.  发布订阅模式，一对多消息发布
3.  基于TCP/IP网络连接
4.  1字节固定报头，2字节心跳报文，报文结构紧凑
5.  消息QoS支持，可靠传输保证

## MQTT协议的主要特性 ##

*  MQTT 协议使用发布 / 订阅消息范式来做到一对多的消息分发以及应用程序的解耦
 *  MQTT 协议提供了 3 种（QoS）服务质量用于消息传输，适应不同的物联网数据传输场景
    
     *  QoS 0：最多一次传送 (只负责传送，发送过后就不管数据的传送情况)
     *  QoS 1：至少一次传送 (确认数据交付)
     *  QoS 2：正好一次传送 (保证数据交付成功)
 *  通过很小的传输开销，以及最小化的协议交换来减少网络流量
 *  发生异常断线时通知各方的机制

## MQTT主要应用 ##

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。

1.  物联网M2M通信，物联网大数据采集
2.  Android消息推送，WEB消息推送
3.  移动即时消息，例如Facebook Messenger
4.  智能硬件、智能家具、智能电器
5.  车联网通信，电动车站桩采集
6.  智慧城市、远程医疗、远程教育
7.  电力、石油与能源等行业市场

## MQTT基于主题(Topic)消息路由 ##

MQTT协议基于主题(Topic)进行消息路由，主题(Topic)类似URL路径，例如:

>     chat/room/1
>     
>     sensor/10/temperature
>     
>     sensor/+/temperature
>     
>     $SYS/broker/metrics/packets/received
>     
>     $SYS/broker/metrics/#

主题(Topic)通过’/’分割层级，支持’+’, ‘\#’通配符:

>     '+': 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

订阅者与发布者之间通过主题路由消息进行通信，例如采用mosquitto命令行发布订阅消息:

>     mosquitto_sub -t a/b/+ -q 1
>     
>     mosquitto_pub -t a/b/c -m hello -q 1

> 注解
> 
> 订阅者可以订阅含通配符主题，但发布者不允许向含通配符主题发布消息。

## MQTT V3.1.1协议报文 ##

报文结构

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>固定报头(Fixed header)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>可变报头(Variable header)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> <p>报文有效载荷(Payload)</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

固定报头

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Bit</td> 
   <td>7</td> 
   <td>6</td> 
   <td>5</td> 
   <td>4</td> 
   <td>3</td> 
   <td>2</td> 
   <td>1</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>byte1</td> 
   <td colspan="4">MQTT Packet type</td> 
   <td colspan="4">Flags</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>byte2…</td> 
   <td colspan="8">Remaining Length</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

报文类型

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>类型名称</td> 
   <td>类型值</td> 
   <td>报文说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONNECT</td> 
   <td>1</td> 
   <td>发起连接</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONNACK</td> 
   <td>2</td> 
   <td>连接回执</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PUBLISH</td> 
   <td>3</td> 
   <td>发布消息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PUBACK</td> 
   <td>4</td> 
   <td>发布回执</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PUBREC</td> 
   <td>5</td> 
   <td>QoS2消息回执</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PUBREL</td> 
   <td>6</td> 
   <td>QoS2消息释放</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PUBCOMP</td> 
   <td>7</td> 
   <td>QoS2消息完成</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SUBSCRIBE</td> 
   <td>8</td> 
   <td>订阅主题</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SUBACK</td> 
   <td>9</td> 
   <td>订阅回执</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>UNSUBSCRIBE</td> 
   <td>10</td> 
   <td>取消订阅</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>UNSUBACK</td> 
   <td>11</td> 
   <td>取消订阅回执</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PINGREQ</td> 
   <td>12</td> 
   <td>PING请求</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PINGRESP</td> 
   <td>13</td> 
   <td>PING响应</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DISCONNECT</td> 
   <td>14</td> 
   <td>断开连接</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

PUBLISH发布消息

PUBLISH报文承载客户端与服务器间双向的发布消息。 PUBACK报文用于接收端确认QoS1报文，PUBREC/PUBREL/PUBCOMP报文用于QoS2消息流程。

PINGREQ/PINGRESP心跳

客户端在无报文发送时，按保活周期(KeepAlive)定时向服务端发送PINGREQ心跳报文，服务端响应PINGRESP报文。PINGREQ/PINGRESP报文均2个字节。

## MQTT消息QoS ##

MQTT发布消息QoS保证不是端到端的，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。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>发布消息的QoS</td> 
   <td>主题订阅的QoS</td> 
   <td>接收消息的QoS</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>0</td> 
   <td>0</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>0</td> 
   <td>1</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>0</td> 
   <td>2</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>0</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>1</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>2</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>0</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>1</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>2</td> 
   <td>2</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Qos0消息发布订阅

![\_images/qos0\_seq.png][images_qos0_seq.png]

Qos1消息发布订阅

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5OTAyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

Qos2消息发布订阅

![\_images/qos2\_seq.png][images_qos2_seq.png]

## MQTT会话(Clean Session) ##

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，可以通过’Clean Session’标志设置会话。

‘Clean Session’设置为0，表示创建一个持久会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销。

‘Clean Session’设置为1，表示创建一个新的临时会话，在客户端断开时，会话自动销毁。

## MQTT连接保活心跳 ##

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，通过KeepAlive参数设置保活周期。

客户端在无报文发送时，按KeepAlive周期定时发送2字节的PINGREQ心跳报文，服务端收到PINGREQ报文后，回复2字节的PINGRESP报文。

服务端在1.5个心跳周期内，既没有收到客户端发布订阅报文，也没有收到PINGREQ心跳报文时，主动心跳超时断开客户端TCP连接。

> 注解
> 
> emqttd消息服务器默认按最长2.5心跳周期超时设计。

## MQTT遗愿消息(Last Will) ##

MQTT客户端向服务器端CONNECT请求时，可以设置是否发送遗愿消息(Will Message)标志，和遗愿消息主题(Topic)与内容(Payload)。

MQTT客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送DISCONNECT消息)，MQTT消息服务器会发布遗愿消息。

## MQTT保留消息(Retained Message) ##

MQTT客户端向服务器发布(PUBLISH)消息时，可以设置保留消息(Retained Message)标志。保留消息(Retained Message)会驻留在消息服务器，后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息。

例如mosquitto命令行发布一条保留消息到主题’a/b/c’:

>     mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m 'hello'

之后连接上来的MQTT客户端订阅主题’a/b/c’时候，仍可收到该消息:

>     $ mosquitto_sub -t a/b/c -q 1
>     hello

保留消息(Retained Message)有两种清除方式:

1.  客户端向有保留消息的主题发布一个空消息:
    
    >     mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m ''
2.  消息服务器设置保留消息的超期时间。

## MQTT WebSocket连接 ##

MQTT协议除支持TCP传输层外，还支持WebSocket作为传输层。通过WebSocket浏览器可以直连MQTT消息服务器，发布订阅模式与其他MQTT客户端通信。

MQTT协议的WebSocket连接，必须采用binary模式，并携带子协议Header:

>     Sec-WebSocket-Protocol: mqttv3.1 或 mqttv3.1.1

## MQTT协议客户端库 ##

emqtt客户端库

emqtt项目组: [https://github.com/emqtt][https_github.com_emqtt]

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/emqtt/emqttc" rel="nofollow">emqttc</a></td> 
   <td>Erlang MQTT客户端库</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/emqtt/CocoaMQTT" rel="nofollow">CocoaMQTT</a></td> 
   <td>Swift语言MQTT客户端库</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/emqtt/qmqtt" rel="nofollow">QMQTT</a></td> 
   <td>QT框架MQTT客户端库</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Eclipse Paho客户端库

Paho官网: [http://www.eclipse.org/paho/][http_www.eclipse.org_paho]

mqtt.org官网客户端库

mqtt.org: [https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries][https_github.com_mqtt_mqtt.github.io_wiki_libraries]

## MQTT与XMPP协议对比 ##

MQTT协议设计简单轻量、路由灵活，将在移动互联网物联网消息领域，全面取代PC时代的XMPP协议:

1.  MQTT协议一个字节固定报头，两个字节心跳报文，报文体积小编解码容易。XMPP协议基于繁重的XML，报文体积大且交互繁琐。
2.  MQTT协议基于主题(Topic)发布订阅模式消息路由，相比XMPP基于JID的点对点消息路由更为灵活。
3.  MQTT协议未定义报文内容格式，可以承载JSON、二进制等不同类型报文。XMPP协议采用XML承载报文，二进制必须Base64编码等处理。
4.  MQTT协议支持消息收发确认和QoS保证，XMPP主协议并未定义类似机制。MQTT协议有更好的消息可靠性保证。

## MQTT 在线测试工具 ##

MQTT Web Toolkit 是 EMQ 最近开源的一款 MQTT (WebSocket) 测试工具，支持在线访问[使用][Link 1]。该工具采用了聊天界面形式，简化了页面操作逻辑，方便用户快速测试验证 MQTT 应用场景：

*  支持通过普通或者加密的 WebSocket 端口连接至 MQTT 消息服务器；
 *  链接的新建、编辑、删除以及缓存链接方便下次访问使用；
 *  不同链接的订阅列表管理；
 *  消息发布、接收、以及接收到新消息时提示，同时支持按照消息类型过滤消息列表。

访问 [http://tools.emqx.io][Link 1] 即可查看使用。

## 参考资料 ##

MQTT协议介绍 (Protocol)：[https://docs.emqx.io/broker/latest/cn/protocol.html\#mqtt][https_docs.emqx.io_broker_latest_cn_protocol.html_mqtt]

[http_mqtt.org]: http://mqtt.org/
[http_docs.oasis-open.org_mqtt_mqtt_v3.1.1_os_mqtt-v3.1.1-os.html]: http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html
[images_qos0_seq.png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9kb2NzLmVtcXguaW8vYnJva2VyL2xhdGVzdC9jbi9faW1hZ2VzL3FvczBfc2VxLnBuZw?x-oss-process=image/format,png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5OTAyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200205143959646.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5OTAyNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[images_qos2_seq.png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9kb2NzLmVtcXguaW8vYnJva2VyL2xhdGVzdC9jbi9faW1hZ2VzL3FvczJfc2VxLnBuZw?x-oss-process=image/format,png
[https_github.com_emqtt]: https://github.com/emqtt
[http_www.eclipse.org_paho]: http://www.eclipse.org/paho/
[https_github.com_mqtt_mqtt.github.io_wiki_libraries]: https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries
[Link 1]: http://tools.emqx.io/
[https_docs.emqx.io_broker_latest_cn_protocol.html_mqtt]: https://docs.emqx.io/broker/latest/cn/protocol.html#mqtt