物联网技术系列之MQTT协议详解
物联网通过网络及传感器技术将分散在各地的设备联系起来，进行信息交换及交互控制，实现智能化感知与管理。但是随着物联网的快速发展，海量物联设备的接入给传统web通信协议带来很大的挑战，而MQTT协议的出现可以解决网络不可靠、终端设备资源有限等问题。本文将就MQTT协议的特点、消息格式做深入分析。
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport），翻译为消息队列遥测传输协议，起初主要解决卫星与石油管道监测数据传输的问题，最大限度减少电池消耗及带宽占用。MQTT是一种轻量级“发布&订阅”方式工作的消息协议，主要特征是简单、轻便、易于实现，这些特征比较适用于物联网领域，比如传感器与服务器的通信、传感器信息采集等。
基本特点
1. 发布&订阅模式实现一对多的消息分发机制，具体如下所示：
代理服务器broker集消息存储、转发功能于一体，解耦发布者与订阅者。发布者与订阅者之间的消息传递按照主题（topic）进行，发布者发布消息并不要求订阅者连接到broker，只要订阅者之前订阅过该主题，那么在它连接到broker之后就可以收到发布者在它离线期间发布的保持持久会话消息。
2. 承载在TCP/IP协议上的应用层协议。
3. 提供三种不同QoS（服务质量）的消息传递机制。
消息格式
每个MQTT消息都有一个固定报文头，有些消息还需可变报文头及报文体，具体如下所示：
2.1
固定报文头
固定报文头由2个字节组成，第1个字节包含4个字段：MessageType、DUP Flag、QoS Level、RETAIN，第2个字节Remaining length声明后续可变报文头和报文体的长度。具体如下所示：
其中MessageType由4 bit的无符号整数表示，其含义如下：
QoS Level占2 bit，用来表示消息传递安全机制，其值解释如下：
0：最多一次（at most once），sender发送的消息，receiver最多只能收到一次，重复或者丢失消息的现象是存在的；
1：至少一次（at least once），receiver一定会收到发布的消息，但是可能收到重复消息；
2：有且仅有一次（exactly once），保证receiver一定能收到消息，而且只能收到一次。sender发送消息失败会重试，直到receiver成功收到该消息，同时保证receiver不会因为消息重传而收到重复的消息。
2.2
可变报文头
可变报文头位于固定报文头和报文体之间，不同的消息类型携带不同的信息，携带的信息主要有以下部分组成。
（1）协议名称：协议的名称，在CONNECT消息中是一个以UTF编码的“MQTT”字符串。
（2）协议版本：表示当前协议的版本。
（3）连接标志：包含多个标志位，具体如下：
① Clean Session（清除会话）：客户端断线，服务器是否需要存储客户端的订阅信息。Clean Session=0，客户端会收到离线期间QoS=1或2的消息；Clean Session=1，客户端每次重新上线时需重新订阅topic，且不会订阅到离线期间的消息。
② Will Flag：客户端连接broker时会设立一个遗愿，这个遗愿会保存在broker。当发布者非正常原因与broker断开连接，broker会将该遗愿发布订阅者，同时Will Flag置为1，遗愿报文Will Message和遗愿主题Will Topic会体现在报文体Payload中。
③ Will QoS：表示Will Flag=1遗愿消息的服务质量要求。
④ Will Retain：表示Will Flag=1遗愿消息是否需要broker保存。
⑤ Username Flag和Password Flag用来表示CONNECT消息的报文体是否包含用户名密码，Username Flag=1，Password Flag=1表示CONNECT消息的报文体存在用户名密码信息。
（4）心跳时长：此字段定义了broker接收客户端消息的最大时间间隔，如果超过该时间间隔没收到消息，则认为客户端已掉线。
（5）连接返回码：此字段出现在CONNECTACK消息的可变报文头中，0表示接入成功。
（6）主题名称：此字段出现在PUBLISH消息，表示消息发布的topic。
（7）消息id：该字段只出现在QoS=1或者QoS=2的消息中，该字段必须是独一无二的，每发送一次消息，对应的消息ID加1。
2.3
Encoder
有些消息有报文体，有些消息没有报文体，比如PUBLISH消息的报文体就是消息内容，而CONNECT消息的报文体包括Will topic、Will Message、Username、Password等内容。
总结
以上介绍了MQTT协议的基本特点及报文格式，发布&订阅的异步消息通信模式，可以解决不可靠或高延迟的网络通信问题。提供一对多的消息发布，可以将消息传送到网络上的所有设备。因为报文的精简，传输开销小，降低网络流量，所有才可以高效传输数据。MQTT提供一个有质量的服务，包括消息应答、存储和重传，保证消息被正确接收。正是MQTT以上特质，才能在物联网领域扮演着重要的角色。
作者 | 张淑文
视觉 | 王朋玉
统筹 | 祖德光