MQTT协议，终于有人讲清楚了

大家好，我是小麦，最近做了一个物联网的项目，顺便总结一下MQTT协议。大家都知道，MQTT协议在物联网中很常用，如果你对此还不是很了解，相信这篇文章可以带你入门。

• mqtt协议

• 1 MQTT协议特点

• 发布和订阅

• QoS（Quality of Service levels）

• 2 MQTT 数据包结构

• 2.1 MQTT固定头

• 2.2 MQTT可变头 / Variable header

• 2.3 Payload消息体

• 3 环境搭建

• 3.1 MQTT服务器搭建

• 3.2 MQTT Client

• 4 总结

mqtt协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。

MQTT最大优点在于，用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。

作为一种低开销、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。

1 MQTT协议特点

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。

MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。

其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT协议当前版本为，2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外，还有一个简化版MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络，如：ZigBee。

MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。

MQTT OSI

发布和订阅

MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。

这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。

MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。

它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。

服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！

客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之。

客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。

消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。

我们来看看下面的设置。

• 光伏发电站是发布者（Publisher）。

• 主要主题（Topic）级别是"PV"，这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data"；

• "PV/sunshine"是一个布尔值（true/fault，也可以是 1/0），充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车（仅在阳光普照时 :)）。

• 充电站（EVSE）是订阅者，订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。

• "PV/data" 另一方面，以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率，并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅，以生成一天内传输功率的图表。

这就是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示；

MQTT 发布和订阅

QoS（Quality of Service levels）

服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器，则客户端将是发送者，MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。

QoS  0

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

QoS  1

QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。

QoS  2

使用 QoS 2，我们保证消息仅传送到目的地一次。为此，带有唯一消息 ID 的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者。QoS 级别 2 在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。

2 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；

整体MQTT的消息格式如下图所示；

2.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

下面简单分析一下固定头的消息格式；

MQTT消息类型 / message type

**位置：**byte 1, bits 7-4。

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	双向	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

标识位 / DUP

**位置：**byte 1, bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。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	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

• 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（前面已经做过介绍），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。

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

2.2 MQTT可变头 / Variable header

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  — 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

2.3 Payload消息体

Payload消息体是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。

3 环境搭建

介绍完基础理论部分，下面在Windows平台上搭建一个简单的MQTT应用，进行简单的应用，整体架构如下图所示；

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ScRucIVO-1625480723109)(架构图.png)]

3.1 MQTT服务器搭建

目前MQTT代理的主流平台有下面几个：

• Mosquitto：https://mosquitto.org/
• VerneMQ：https://vernemq.com/
• EMQTT：http://emqtt.io/

本文将使用 Mosquitoo 进行测试，进入到安装页面，下载自己电脑的系统所适配的程序；

下载页面

安装成功之后，进入到安装路径下，找到mosquitto.exe；

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YXZupgOv-1625480723111)(image-20210705171401654.png)]

按住Shift，右键鼠标点击空白处，然后打开Powershell，正常打开一个终端软件即可；

• 输入./mosquitto.exe -h 可以查看相应的帮助；

• 输入./mosquitto.exe -p 10086，就开启了MQTT服务，监听的地址是127.0.0.1，端口是10086；

具体如下图所示；

3.2 MQTT Client

服务器搭建好了，下面就是开启客户端，进行发布和订阅，这样就可以传输相应的消息。

这里我使用的是自己编译了一个QT mqtt client 程序，是基于Qt的官方库进行编译的，下面打开这个软件，下一期简单介绍一下如何完成这个客户端，并设置好相应参数：

• 地址：127.0.0.1

• 端口：10086

然后订阅主题，就可以互相发送数据了，具体如下图所示；

结合前面的图片来看，整体的架构如下所示；

4 总结

本文简单介绍了MQTT协议的工作原理，以及相应的协议格式，简单介绍了协议的一些细节，具体举出了相应的应用场景，作者水平和能力有限，文中难免存在错误和纰漏，请大佬不吝赐教。

本期就到此结束了，我是小麦，我们下期再见。

—— The End ——

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