MQTT協(xié)議，終于有人講清楚了
[導(dǎo)讀]大家都知道，MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中很常用，如果你對(duì)此還不是很了解，相信這篇文章可以帶你入門。
大家好，我是小麥，最近做了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的項(xiàng)目，順便總結(jié)一下MQTT協(xié)議。大家都知道，MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中很常用，如果你對(duì)此還不是很了解，相信這篇文章可以帶你入門。
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mqtt協(xié)議
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1 MQTT協(xié)議特點(diǎn)
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發(fā)布和訂閱
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QoS（Quality of Service levels）
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2 MQTT 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
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2.1 MQTT固定頭
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2.2 MQTT可變頭 / Variable header
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2.3 Payload消息體
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3 環(huán)境搭建
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3.1 MQTT服務(wù)器搭建
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3.2 MQTT Client
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4 總結(jié)
mqtt協(xié)議
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。
MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。
作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。
1 MQTT協(xié)議特點(diǎn)
MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。
MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的，這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。
其在，通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。
MQTT協(xié)議當(dāng)前版本為，2014年發(fā)布的MQTT v3.1.1。除標(biāo)準(zhǔn)版外，還有一個(gè)簡化版MQTT-SN，該協(xié)議主要針對(duì)嵌入式設(shè)備，這些設(shè)備一般工作于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，如：ZigBee。
MQTT 與 HTTP 一樣，MQTT 運(yùn)行在傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP) 堆棧之上。
MQTT OSI
發(fā)布和訂閱
MQTT使用的發(fā)布/訂閱消息模式，它提供了一對(duì)多的消息分發(fā)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序的解耦。
這是一種消息傳遞模式，消息不是直接從發(fā)送器發(fā)送到接收器（即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)），而是由MQTT server（或稱為 MQTT Broker）分發(fā)的。
MQTT 服務(wù)器是發(fā)布-訂閱架構(gòu)的核心。
它可以非常簡單地在Raspberry Pi或NAS等單板計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以在大型機(jī)或 Internet 服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)。
服務(wù)器分發(fā)消息，因此必須是發(fā)布者，但絕不是訂閱者！
客戶端可以發(fā)布消息（發(fā)送方）、訂閱消息（接收方）或兩者兼而有之。
客戶端（也稱為節(jié)點(diǎn)）是一種智能設(shè)備，如微控制器或具有 TCP/IP 堆棧和實(shí)現(xiàn) MQTT 協(xié)議的軟件的計(jì)算機(jī)。
消息在允許過濾的主題下發(fā)布。主題是分層劃分的 UTF-8 字符串。不同的主題級(jí)別用斜杠/作為分隔符號(hào)。
我們來看看下面的設(shè)置。
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光伏發(fā)電站是發(fā)布者（
Publisher）。
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主要主題（Topic）級(jí)別是"PV"，這個(gè)工廠發(fā)布兩個(gè)子級(jí)別"sunshine"和"data"；
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"PV/sunshine"是一個(gè)布爾值（true/fault，也可以是 1/0），充電站需要它來知道是否應(yīng)該裝載電動(dòng)汽車（僅在陽光普照時(shí) :)）。
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充電站（EVSE）是訂閱者，訂閱"PV/sunshine"從服務(wù)器獲取信息。
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"PV/data"另一方面，以 kW 為單位傳輸工廠產(chǎn)生的瞬時(shí)功率，并且該主題可以例如通過計(jì)算機(jī)或平板電腦訂閱，以生成一天內(nèi)傳輸功率的圖表。
這就是一個(gè)簡單的MQTT的應(yīng)用場(chǎng)景，具體如下圖所示；
MQTT 發(fā)布和訂閱
QoS（Quality of Service levels）
服務(wù)質(zhì)量是 MQTT 的一個(gè)重要特性。當(dāng)我們使用 TCP/IP 時(shí)，連接已經(jīng)在一定程度上受到保護(hù)。但是在無線網(wǎng)絡(luò)中，中斷和干擾很頻繁，MQTT 在這里幫助避免信息丟失及其服務(wù)質(zhì)量水平。這些級(jí)別在發(fā)布時(shí)使用。如果客戶端發(fā)布到 MQTT 服務(wù)器，則客戶端將是發(fā)送者，MQTT 服務(wù)器將是接收者。當(dāng)MQTT服務(wù)器向客戶端發(fā)布消息時(shí)，服務(wù)器是發(fā)送者，客戶端是接收者。
QoS 0
這一級(jí)別會(huì)發(fā)生消息丟失或重復(fù)，消息發(fā)布依賴于底層TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。即：<=1
QoS 1
QoS 1 承諾消息將至少傳送一次給訂閱者。
QoS 2
使用 QoS 2，我們保證消息僅傳送到目的地一次。為此，帶有唯一消息 ID 的消息會(huì)存儲(chǔ)兩次，首先來自發(fā)送者，然后是接收者。QoS 級(jí)別 2 在網(wǎng)絡(luò)中具有最高的開銷，因?yàn)樵诎l(fā)送方和接收方之間需要兩個(gè)流。
2 MQTT 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
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固定頭（Fixed header），存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，表示數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組類標(biāo)識(shí)；
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可變頭（Variable header），存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包類型決定了可變頭是否存在及其具體內(nèi)容；
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消息體（Payload），存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，表示客戶端收到的具體內(nèi)容；
整體MQTT的消息格式如下圖所示；
2.1MQTT固定頭
固定頭存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，其結(jié)構(gòu)如下：
下面簡單分析一下固定頭的消息格式；
MQTT消息類型 / message type
**位置：**byte 1, bits 7-4。
4位的無符號(hào)值，類型如下：
名稱
值
流方向
描述
Reserved
0
不可用
保留位
CONNECT
1
客戶端到服務(wù)器
客戶端請(qǐng)求連接到服務(wù)器
CONNACK
2
服務(wù)器到客戶端
連接確認(rèn)
PUBLISH
3
雙向
發(fā)布消息
PUBACK
4
雙向
發(fā)布確認(rèn)
PUBREC
5
雙向
發(fā)布收到（保證第1部分到達(dá)）
PUBREL
6
雙向
發(fā)布釋放（保證第2部分到達(dá)）
PUBCOMP
7
雙向
發(fā)布完成（保證第3部分到達(dá)）
SUBSCRIBE
8
客戶端到服務(wù)器
客戶端請(qǐng)求訂閱
SUBACK
9
服務(wù)器到客戶端
訂閱確認(rèn)
UNSUBSCRIBE
10
客戶端到服務(wù)器
請(qǐng)求取消訂閱
UNSUBACK
11
服務(wù)器到客戶端
取消訂閱確認(rèn)
PINGREQ
12
客戶端到服務(wù)器
PING請(qǐng)求
PINGRESP
13
服務(wù)器到客戶端
PING應(yīng)答
DISCONNECT
14
客戶端到服務(wù)器
中斷連接
Reserved
15
不可用
保留位
標(biāo)識(shí)位 / DUP
**位置：**byte 1, bits 3-0。
在不使用標(biāo)識(shí)位的消息類型中，標(biāo)識(shí)位被作為保留位。如果收到無效的標(biāo)志時(shí)，接收端必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接：
數(shù)據(jù)包
標(biāo)識(shí)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
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DUP：發(fā)布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設(shè)置為 1，則在下面的變長中增加MessageId，并且需要回復(fù)確認(rèn)，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測(cè)消息重復(fù)發(fā)送。
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QoS發(fā)布消息的服務(wù)質(zhì)量（前面已經(jīng)做過介紹），即：保證消息傳遞的次數(shù)
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00：最多一次，即：<=1
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01：至少一次，即：>=1
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10：一次，即：=1
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11：預(yù)留
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RETAIN：發(fā)布保留標(biāo)識(shí)，表示服務(wù)器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現(xiàn)，就把這消息推送給它，如果設(shè)有那么推送至當(dāng)前訂閱者后釋放。
剩余長度（Remaining Length）
位置：byte 1。
固定頭的第二字節(jié)用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節(jié)是可以擴(kuò)展，其保存機(jī)制，前7位用于保存長度，后一部用做標(biāo)識(shí)。當(dāng)最后一位為 1時(shí)，表示長度不足，需要使用二個(gè)字節(jié)繼續(xù)保存。例如：計(jì)算出后面的大小為0
2.2MQTT可變頭 / Variable header
MQTT數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)可變頭，它駐位于固定的頭和負(fù)載之間。可變頭的內(nèi)容因數(shù)據(jù)包類型而不同，較常的應(yīng)用是做為包的標(biāo)識(shí)：
Bit
7 — 0
byte 1
包標(biāo)簽符（MSB）
byte 2…
包標(biāo)簽符（LSB）
很多類型數(shù)據(jù)包中都包括一個(gè)2字節(jié)的數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)字段，這些類型的包有：
PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、
SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK
2.3Payload消息體
Payload消息體是MQTT數(shù)據(jù)包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息 有消息體：
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CONNECT，消息體內(nèi)容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼
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SUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
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SUBACK，消息體內(nèi)容是服務(wù)器對(duì)于SUBSCRIBE所申請(qǐng)的主題及QoS進(jìn)行確認(rèn)和回復(fù)。
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UNSUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是要訂閱的主題。
3 環(huán)境搭建
介紹完基礎(chǔ)理論部分，下面在Windows平臺(tái)上搭建一個(gè)簡單的MQTT應(yīng)用，進(jìn)行簡單的應(yīng)用，整體架構(gòu)如下圖所示；
[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ScRucIVO-1625480723109)(架構(gòu)圖.png)]
3.1 MQTT服務(wù)器搭建
目前MQTT代理的主流平臺(tái)有下面幾個(gè)：
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Mosquitto：https://mosquitto.org/
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VerneMQ：https://vernemq.com/
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EMQTT：http://emqtt.io/
本文將使用 Mosquitoo 進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)入到安裝頁面，下載自己電腦的系統(tǒng)所適配的程序；
下載頁面安裝成功之后，進(jìn)入到安裝路徑下，找到mosquitto.exe；
[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-YXZupgOv-1625480723111)(image-20210705171401654.png)]
按住Shift，右鍵鼠標(biāo)點(diǎn)擊空白處，然后打開Powershell，正常打開一個(gè)終端軟件即可；
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輸入
./mosquitto.exe -h可以查看相應(yīng)的幫助；
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輸入./mosquitto.exe -p 10086，就開啟了MQTT服務(wù)，監(jiān)聽的地址是127.0.0.1，端口是10086；
具體如下圖所示；
3.2 MQTT Client
服務(wù)器搭建好了，下面就是開啟客戶端，進(jìn)行發(fā)布和訂閱，這樣就可以傳輸相應(yīng)的消息。
這里我使用的是自己編譯了一個(gè)QT mqtt client程序，是基于Qt的官方庫進(jìn)行編譯的，下面打開這個(gè)軟件，下一期簡單介紹一下如何完成這個(gè)客戶端，并設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)：
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地址：
127.0.0.1
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端口：10086
然后訂閱主題，就可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)了，具體如下圖所示；
結(jié)合前面的圖片來看，整體的架構(gòu)如下所示；
4 總結(jié)
本文簡單介紹了MQTT協(xié)議的工作原理，以及相應(yīng)的協(xié)議格式，簡單介紹了協(xié)議的一些細(xì)節(jié)，具體舉出了相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，作者水平和能力有限，文中難免存在錯(cuò)誤和紕漏，請(qǐng)大佬不吝賜教。
本期就到此結(jié)束了，我是小麥，我們下期再見。
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