MQTT協定簡介

• 簡述
• 設計規範
• 主要特性
• MQTT協定原理
• MQTT協定資料包結構

簡述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協定），是一種基于釋出/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協定，該協定建構于TCP/IP協定上，由IBM在1999年釋出。MQTT最大優點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接配接遠端裝置提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協定，使其在物聯網、小型裝置、移動應用等方面有較廣泛的應用。

MQTT是一個基于用戶端-伺服器的消息釋出/訂閱傳輸協定。MQTT協定是輕量、簡單、開放和易于實作的，這些特點使它适用範圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯網（IoT）。其在，通過衛星鍊路通信傳感器、偶爾撥号的醫療裝置、智能家居、及一些小型化裝置中已廣泛使用。

設計規範

由于物聯網的環境是非常特别的，是以MQTT遵循以下設計原則：

（1）精簡，不添加可有可無的功能；

（2）釋出/訂閱（Pub/Sub）模式，友善消息在傳感器之間傳遞；

（3）允許使用者動态建立主題，零運維成本；

（4）把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；

（5）把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在内；

（6）支援連續的會話控制；

（7）了解用戶端計算能力可能很低；

（8）提供服務品質管理；

（9）假設資料不可知，不強求傳輸資料的類型與格式，保持靈活性。

主要特性

MQTT協定工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠端傳感器和控制裝置通訊而設計的協定，它具有以下主要的幾項特性：

（1）使用釋出/訂閱消息模式，提供一對多的消息釋出，解除應用程式耦合。

這一點很類似于XMPP，但是MQTT的資訊備援遠小于XMPP，,因為XMPP使用XML格式文本來傳遞資料。

（2）對負載内容屏蔽的消息傳輸。

（3）使用TCP/IP提供網絡連接配接。

主流的MQTT是基于TCP連接配接進行資料推送的，但是同樣有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。這兩種版本由于基于不同的連接配接方式，優缺點自然也就各有不同了。

（4）有三種消息釋出服務品質：

“至多一次”，消息釋出完全依賴底層TCP/IP網絡。會發生消息丢失或重複。這一級别可用于如下情況，環境傳感器資料，丢失一次讀記錄無所謂，因為不久後還會有第二次發送。這一種方式主要普通APP的推送，倘若你的智能裝置在消息推送時未聯網，推送過去沒收到，再次聯網也就收不到了。

“至少一次”，確定消息到達，但消息重複可能會發生。

“隻有一次”，確定消息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級别。在計費系統中，消息重複或丢失會導緻不正确的結果。這種最高品質的消息釋出服務還可以用于即時通訊類的APP的推送，確定使用者收到且隻會收到一次。

（5）小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是2位元組），協定交換最小化，以降低網絡流量。

這就是為什麼在介紹裡說它非常适合"在物聯網領域，傳感器與伺服器的通信，資訊的收集"，要知道嵌入式裝置的運算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協定來傳遞消息再适合不過了。

（6）使用Last Will和Testament特性通知有關各方用戶端異常中斷的機制。

Last Will：即遺言機制，用于通知同一主題下的其他裝置發送遺言的裝置已經斷開了連接配接。

Testament：遺囑機制，功能類似于Last Will。

MQTT協定原理

4.1 MQTT協定實作方式

實作MQTT協定需要用戶端和伺服器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協定中有三種身份：釋出者（Publish）、代理（Broker）（伺服器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的釋出者和訂閱者都是用戶端，消息代理是伺服器，消息釋出者可以同時是訂閱者。

MQTT傳輸的消息分為：主題（Topic）和負載（payload）兩部分：

（1）Topic，可以了解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）後，就會收到該主題的消息内容（payload）；

（2）payload，可以了解為消息的内容，是指訂閱者具體要使用的内容。

4.2 網絡傳輸與應用消息

MQTT會建構底層網絡傳輸：它将建立用戶端到伺服器的連接配接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于位元組流的雙向傳輸。

當應用資料通過MQTT網絡發送時，MQTT會把與之相關的服務品質（QoS）和主題名（Topic）相關連。

4.3 MQTT用戶端

一個使用MQTT協定的應用程式或者裝置，它總是建立到伺服器的網絡連接配接。用戶端可以：

（1）釋出其他用戶端可能會訂閱的資訊；

（2）訂閱其它用戶端釋出的消息；

（3）退訂或删除應用程式的消息；

（4）斷開與伺服器連接配接。

4.4 MQTT伺服器

MQTT伺服器以稱為"消息代理"（Broker），可以是一個應用程式或一台裝置。它是位于消息釋出者和訂閱者之間，它可以：

（1）接受來自客戶的網絡連接配接；

（2）接受客戶釋出的應用資訊；

（3）處理來自用戶端的訂閱和退訂請求；

（4）向訂閱的客戶轉發應用程式消息。

4.5 MQTT協定中的訂閱、主題、會話

一、訂閱（Subscription）

訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務品質（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

二、會話（Session）

每個用戶端與伺服器建立連接配接後就是一個會話，用戶端和伺服器之間有狀态互動。會話存在于一個網絡之間，也可能在用戶端和伺服器之間跨越多個連續的網絡連接配接。

三、主題名（Topic Name）

連接配接到一個應用程式消息的标簽，該标簽與伺服器的訂閱相比對。伺服器會将消息發送給訂閱所比對标簽的每個用戶端。

四、主題篩選器（Topic Filter）

一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所比對到的多個主題。

五、負載（Payload）

消息訂閱者所具體接收的内容。

4.6 MQTT協定中的方法

MQTT協定中定義了一些方法（也被稱為動作），來于表示對确定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的資料或動态生成資料，這取決于伺服器的實作。通常來說，資源指伺服器上的檔案或輸出。主要方法有：

（1）Connect。等待與伺服器建立連接配接。

（2）Disconnect。等待MQTT用戶端完成所做的工作，并與伺服器斷開TCP/IP會話。

（3）Subscribe。等待完成訂閱。

（4）UnSubscribe。等待伺服器取消用戶端的一個或多個topics訂閱。

（5）Publish。MQTT用戶端發送消息請求，發送完成後傳回應用程式線程。

MQTT協定資料包結構

在MQTT協定中，一個MQTT資料包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構成。MQTT資料包結構如下：

（1）固定頭（Fixed header）。存在于所有MQTT資料包中，表示資料包類型及資料包的分組類辨別。

（2）可變頭（Variable header）。存在于部分MQTT資料包中，資料包類型決定了可變頭是否存在及其具體内容。

（3）消息體（Payload）。存在于部分MQTT資料包中，表示用戶端收到的具體内容。

5.1 MQTT固定頭

固定頭存在于所有MQTT資料包中，其結構如下：

5.1.1 MQTT資料包類型

位置：Byte 1中bits 7-4。

相于一個4位的無符号值，類型、取值及描述如下：

5.1.2 辨別位

位置：Byte 1中bits 3-0。

在不使用辨別位的消息類型中，辨別位被作為保留位。如果收到無效的标志時，接收端必須關閉網絡連接配接：

（1）DUP：釋出消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設定為1，則在下面的變長中增加MessageId，并且需要回複确認，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測消息重複發送。

（2）QoS：釋出消息的服務品質，即：保證消息傳遞的次數

Ø00：最多一次，即：<=1

Ø01：至少一次，即：>=1

Ø10：一次，即：=1

Ø11：預留

（3）RETAIN： 釋出保留辨別，表示伺服器要保留這次推送的資訊，如果有新的訂閱者出現，就把這消息推送給它，如果沒有那麼推送至目前訂閱者後釋放。 5.1.3 剩餘長度（Remaining Length）

位址：Byte 2。

固定頭的第二位元組用來儲存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接儲存的。這一位元組是可以擴充，其儲存機制，前7位用于儲存長度，後一部用做辨別。當最後一位為1時，表示長度不足，需要使用二個位元組繼續儲存。例如：計算出後面的大小為0

5.2 MQTT可變頭

MQTT資料包中包含一個可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間。可變頭的内容因資料包類型而不同，較常的應用是作為包的辨別：

很多類型資料包中都包括一個2位元組的資料包辨別字段，這些類型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

5.3 Payload消息體

Payload消息體位MQTT資料包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息：

（1）CONNECT，消息體内容主要是：用戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及使用者名和密碼。

（2）SUBSCRIBE，消息體内容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。

（3）SUBACK，消息體内容是伺服器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行确認和回複。

（4）UNSUBSCRIBE，消息體内容是要訂閱的主題。