Mqtt（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議。該協(xié)議建立在TCP/IP協(xié)議之上，由IBM于1999年發(fā)布。mqtt的最大優(yōu)點(diǎn)是，它可以用很少的代碼和有限的帶寬為連接的遠(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)通信協(xié)議，它廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等領(lǐng)域。

Mqtt是一種基于客戶機(jī)-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。Mqtt協(xié)議輕量級(jí)、簡(jiǎn)單、開放且易于實(shí)現(xiàn)。這些特點(diǎn)使其具有廣泛的適用性。在許多情況下，包括受限環(huán)境，如機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IOT）。它已廣泛應(yīng)用于通過衛(wèi)星鏈路的通信傳感器、偶爾的撥號(hào)醫(yī)療設(shè)備、智能家居和一些小型設(shè)備。

Mqtt協(xié)議設(shè)計(jì)規(guī)范

由于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境非常特殊，mqtt遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）精簡(jiǎn)和不增加可有可無的功能；

（2）發(fā)布/訂閱（Pub/sub）模式，以促進(jìn)傳感器之間的消息傳輸；

（3）允許用戶動(dòng)態(tài)創(chuàng)建主題，零運(yùn)維成本；

（4）將傳輸容量降至最低，以提高傳輸效率；

（5）考慮了低帶寬、高延遲、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等因素；

（6）支持連續(xù)會(huì)話控制；

（7）了解客戶機(jī)的計(jì)算能力可能非常低；

（8）提供服務(wù)質(zhì)量管理；

（9）假設(shè)數(shù)據(jù)未知，則不需要傳輸數(shù)據(jù)的類型和格式來保持靈活性。

3、Mqtt協(xié)議主要特征

Mqtt協(xié)議設(shè)計(jì)用于低帶寬和不可靠網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備之間的通信。它具有以下主要特點(diǎn)：

（1）使用發(fā)布/訂閱消息模式可提供一對(duì)多消息發(fā)布和解耦應(yīng)用程序。

這與XMPP非常相似，但mqtt的信息冗余比XMPP少得多，因?yàn)閄MPP使用XML格式的文本傳輸數(shù)據(jù)。

（2）屏蔽有效負(fù)載內(nèi)容的消息傳輸。

（3）使用TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接。

主流mqtt基于TCP連接推送數(shù)據(jù)，但也有一個(gè)基于UDP的版本，稱為mqttsn。因?yàn)檫@兩個(gè)版本基于不同的連接方法，所以它們的優(yōu)缺點(diǎn)自然不同。

（4）有三種類型的消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：

“至少一次”，消息發(fā)布完全取決于底層TCP/IP網(wǎng)絡(luò)?？赡軙?huì)發(fā)生消息丟失或重復(fù)。此級(jí)別可用于以下情況。主讀取記錄是否丟失并不重要，因?yàn)樵诓痪玫膶頃?huì)有第二次傳輸。此方法主要用于推送普通應(yīng)用程序。如果您的智能設(shè)備在推送消息時(shí)未連接到Internet，并且過去未收到推送，則在再次聯(lián)網(wǎng)時(shí)將不會(huì)收到推送。

“至少一次”，以確保消息到達(dá)，但可能會(huì)發(fā)生消息重復(fù)。

“僅一次”以確保消息到達(dá)一次。此級(jí)別可用于某些要求嚴(yán)格的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。在計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，重復(fù)或丟失消息將導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果。這項(xiàng)最高質(zhì)量的消息發(fā)布服務(wù)還可用于推送即時(shí)消息應(yīng)用程序，以確保用戶接收并只接收一次。

（5）傳輸量小，開銷低（固定長(zhǎng)度報(bào)頭為2字節(jié)），協(xié)議切換最小化，以減少網(wǎng)絡(luò)流量。

這就是為什么在導(dǎo)言中說它非常適合“傳感器和服務(wù)器之間的通信以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的信息收集”。您應(yīng)該知道，嵌入式設(shè)備的計(jì)算能力和帶寬相對(duì)較弱。使用此協(xié)議傳輸消息非常合適。

（6）一種通過使用最后遺囑和遺囑特征通知相關(guān)方客戶端異常中斷的機(jī)制。

遺言：遺言機(jī)制，用于通知同一主題下的其他設(shè)備發(fā)送遺言的設(shè)備已斷開連接。

遺囑：遺囑機(jī)制，類似于最后遺囑。

4、Mqtt協(xié)議原理

4.1mqtt協(xié)議的實(shí)現(xiàn)模式

mqtt協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要客戶端和服務(wù)器端通信。在通信過程中，mqtt協(xié)議中有三個(gè)標(biāo)識(shí)：發(fā)布者、代理（服務(wù)器）和訂閱者。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時(shí)是訂閱者。

mqtt傳輸?shù)南⒎譃閮刹糠郑褐黝}和有效負(fù)載：

（1）主題可以理解為消息的類型。訂閱后，訂閱方將收到該主題的消息內(nèi)容（有效載荷）；

（2）有效載荷可以理解為消息的內(nèi)容，指訂戶要使用的特定內(nèi)容。

4.2網(wǎng)絡(luò)傳輸和應(yīng)用信息

Mqtt將構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò)傳輸：它將建立客戶端到服務(wù)器的連接，并在兩者之間提供有序、無損、基于字節(jié)流的雙向傳輸。

當(dāng)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)通過mqtt網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時(shí)，mqtt將把服務(wù)質(zhì)量（QoS）和與其相關(guān)的主題關(guān)聯(lián)起來。

4.3mqtt客戶端

使用mqtt協(xié)議的應(yīng)用程序或設(shè)備。它始終與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。客戶可以：

（1）發(fā)布其他客戶可能訂閱的信息；

（2）訂閱其他客戶端發(fā)布的消息；

（3）取消訂閱或刪除應(yīng)用程序消息；

（4）斷開與服務(wù)器的連接。

4.4mqtt服務(wù)器

mqtt服務(wù)器稱為“消息代理”，可以是應(yīng)用程序或設(shè)備。它位于消息發(fā)布者和訂閱者之間。它可以：

（1）接受客戶的網(wǎng)絡(luò)連接；

（2）接受客戶發(fā)布的申請(qǐng)信息；

（3）處理客戶的訂閱和取消訂閱請(qǐng)求；

（4）將應(yīng)用程序消息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱的客戶。

4.5mqtt協(xié)議中的訂閱、主題和會(huì)話

1、訂閱

訂閱包括主題過濾器和最大服務(wù)質(zhì)量（QoS）。訂閱與會(huì)話相關(guān)聯(lián)。一個(gè)會(huì)話可以包含多個(gè)訂閱。每個(gè)會(huì)話中的每個(gè)訂閱都有不同的主題篩選器。

2、會(huì)議

在每個(gè)客戶機(jī)與服務(wù)器建立連接后，這是一個(gè)會(huì)話，客戶機(jī)和服務(wù)器之間存在狀態(tài)交互。網(wǎng)絡(luò)之間存在會(huì)話，或者會(huì)話可能跨越客戶端和服務(wù)器之間的多個(gè)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接。

3、主題名稱

連接到與服務(wù)器訂閱匹配的應(yīng)用程序消息的標(biāo)簽。服務(wù)器向訂閱匹配標(biāo)記的每個(gè)客戶端發(fā)送一條消息。

4、主題過濾器

主題名稱的通配符篩選器，在訂閱表達(dá)式中用于表示訂閱匹配的多個(gè)主題。

5、載荷（有效載荷）

消息訂閱者接收的特定內(nèi)容。

4.6mqtt協(xié)議中的方法

Mqtt協(xié)議定義了一些方法（也稱為操作）來表示對(duì)已確定資源的操作。此資源可以表示預(yù)先存在的數(shù)據(jù)或動(dòng)態(tài)生成的數(shù)據(jù)，具體取決于服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。一般來說，資源指的是服務(wù)器上的文件或輸出。主要方法是：

（1）連接。等待與服務(wù)器建立連接。

（2）斷開連接。等待mqtt客戶端完成其工作，并斷開TCP/IP會(huì)話與服務(wù)器的連接。

（3）訂閱。等待訂閱完成。

（4）取消訂閱。等待服務(wù)器從客戶端取消訂閱一個(gè)或多個(gè)主題。

（5）mqtt客戶端發(fā)送消息請(qǐng)求，并在發(fā)送后返回應(yīng)用程序線程。

5、Mqtt協(xié)議包結(jié)構(gòu)

在mqtt協(xié)議中，mqtt數(shù)據(jù)包由固定報(bào)頭、可變報(bào)頭和有效負(fù)載組成。mqtt數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下所示：

（1）固定標(biāo)題。它存在于所有mqtt數(shù)據(jù)包中，并表示數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)包類型和數(shù)據(jù)包類ID。

（2）可變標(biāo)題。它存在于某些mqtt數(shù)據(jù)包中。數(shù)據(jù)包類型確定變量頭是否存在及其特定內(nèi)容。

（3）消息正文（有效負(fù)載）。它存在于某些mqtt數(shù)據(jù)包中，表示客戶端接收到的特定內(nèi)容。

5.1mqtt固定頭

固定頭存在于所有mqtt包中，其結(jié)構(gòu)如下：

5.1.1mqtt數(shù)據(jù)包類型

位置：字節(jié)1中的第7-4位。

對(duì)應(yīng)于4位無符號(hào)值，類型、值和說明如下：

5.1.2識(shí)別位

位置：字節(jié)1中的第3-0位。

在不使用標(biāo)識(shí)位的消息類型中，標(biāo)識(shí)位用作保留位。如果接收到無效標(biāo)志，則接收端必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接：

（1）DUP：已發(fā)布消息的副本。它用于確保信息的可靠傳輸。如果設(shè)置為1，則messageid將添加到以下可變長(zhǎng)度，需要回復(fù)確認(rèn)以確保消息傳輸完成，但不能用于檢測(cè)重復(fù)的消息傳輸。

（2）QoS：發(fā)布消息的服務(wù)質(zhì)量，即消息傳遞的數(shù)量

？00:最多一次，即<=1

？01：至少一次，即>=1

？10:一次，即：=1

？11：保留

（3）Retain：發(fā)布保留ID，表示服務(wù)器希望保留這次推送的信息。如果出現(xiàn)新訂戶，請(qǐng)將消息推送到該訂戶。如果是，請(qǐng)將其推送到當(dāng)前訂閱服務(wù)器并釋放。5.1.3剩余長(zhǎng)度

地址：字節(jié)2。

固定標(biāo)頭的第二個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)可變長(zhǎng)度標(biāo)頭和消息正文的總大小，但不能直接存儲(chǔ)。這個(gè)字節(jié)可以擴(kuò)展。其保存機(jī)制是前7位用于保存長(zhǎng)度，最后一位用作標(biāo)識(shí)。最后一位為1時(shí)，表示長(zhǎng)度不足，需要用兩個(gè)字節(jié)保存。例如：將以下大小計(jì)算為0

5.2mqtt可變磁頭

mqtt數(shù)據(jù)包包含一個(gè)位于固定頭和有效負(fù)載之間的可變頭?？勺儓?bào)頭的內(nèi)容因數(shù)據(jù)包類型而異。它通常用作數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)：

許多類型的數(shù)據(jù)包包括一個(gè)2字節(jié)的數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)字段。這些類型的數(shù)據(jù)包包括：發(fā)布（QoS>0）、puback、pubrec、pubrel、pubcomp、訂閱、訂閱、取消訂閱、取消訂閱。

5.3有效載荷消息正文

有效負(fù)載消息正文是mqtt數(shù)據(jù)包的第三部分，它包含四種類型的消息：connect、subscribe、suback和unsubscribe：

（1）Connect，消息體的主要內(nèi)容有：客戶端ID、訂閱主題、消息、客戶端用戶名和密碼。

（2）訂閱，消息體的內(nèi)容是一系列要訂閱的主題和QoS。

（3）消息體的內(nèi)容是服務(wù)器確認(rèn)并回復(fù)subscribe應(yīng)用的主題和QoS。

（4）取消訂閱：消息正文的內(nèi)容是要訂閱的主題。