MQTT协议

Posted 2022-07-31 alan6

一、MQTT简介

MQTT协议（Message Queuing Telemetry Transport）（消息队列遥测传输）是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”消息协议，是IBM公司于1999年提出的，由Andy Stanford-Clark（IBM）和Arlen Nipper（Eurotech，现为Cirrus Link）于1999年开发。MQTT是一个基于TCP的发布订阅协议，设计的初始目的是为了适用于极有限的内存设备和低带宽的不可靠网络通信，非常适合物联网通信。MQTT 协议目前在 IoT（Internet of things，物联网）、小型设备应用、移动应用等方面有较广泛的应用。

二、协议原理

与HTTP及其请求/响应范例相比，MQTT协议使用发布/订阅体系结构。发布/订阅是事件驱动的，可以将消息推送到客户端。中央通信点是MQTT代理，它负责调度发送者和合法接收者之间的所有消息。向代理发布消息的每个客户端都在消息中包含一个主题。主题是代理的路由信息。每个想要接收消息的客户端都订阅某个主题，并且代理将具有匹配主题的所有消息传递给客户端。

MQTT 协议提供一对多的消息发布，可以解除应用程序耦合，信息冗余小。该协议需要客户端和服务端，而协议中主要有三种身份：发布者（Publisher）、代理（Broker，服务器）、订阅者（Subscriber）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，而消息发布者也可以同时是订阅者，实现了生产者与消费者的解耦。

三、协议格式

协议是通信双方的一个约定，即约定第1位传输什么、第2位传输什么。在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、 可变头（Variable header）、 消息体（payload）三部分构成。

3.1 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

3.2 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

Bit	7	6	5	4	3	2	1	0
byte 1	MQTT数据包类型				不同类型MQTT数据包的具体标识
byte 2…	剩余长度

3.2.1 MQTT数据包类型

位置：byte 1, bits 7-4。

相于一个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	双赂	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

 

3.2.2 标识位

位置：byte 1, bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中，标识位被做为保留位。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，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。

3.2.3 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

3.3 MQTT可变头

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	6	5	4	3	2	1	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

3.4 Payload消息体

Payload消息体位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。