MQTT详解

简介 

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在 TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议，为此，它需要一个消息中间件 。

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。

IBM公司的安迪·斯坦福-克拉克及Cirrus Link公司的阿兰·尼普于1999年撰写了该协议的第一个版本。

该协议的可用性取决于该协议的使用环境。IBM公司在2013年就向结构化资讯标准促进组织提交了 MQTT 3.1 版规范，并附有相关章程，以确保只能对规范进行少量更改。MQTT-SN是针对非 TCP/IP 网络上的嵌入式设备主要协议的变种，与此类似的还有ZigBee协议。

纵观行业的发展历程，“MQTT”中的“MQ” 是来自于IBM的MQ系列消息队列产品线。然而通常队列本身不需要作为标准功能来支持。

可选协议包含了高级消息队列协议，面向文本的消息传递协议，互联网工程任务组约束应用协议，可扩展消息与存在协议，数据分发服务，OPC UA以及web 应用程序消息传递协议。

MQTT应用

IBM和St. Jude医疗中心通过MQTT开发了一套Merlin系统，该系统使用了用于家庭保健的传感器。St. Jude医疗中心设计了一个叫做Merlin@home的心脏装置，这种无线发射器可以用来监控那些已经植入复律-除颤器和起搏器（两者都是基本的传感器）的心脏病人。

该产品利用MQTT把病人的即时更新信息传给医生/医院，然后医院进行保存。这样的话，病人就不用亲自去医院检查心脏仪器了，医生可以随时查看病人的数据，给出建议，病人在家里就可以自行检查。

IBM称该发射器包括一个大型触摸屏，一个嵌入式键盘平台，以及一个Linux操作系统。

在未来几年，MQTT的应用会越来越广，值得关注。

通过MQTT协议，目前已经扩展出了数十个MQTT服务器端程序，可以通过PHP，JAVA，Python，C，C#等系统语言来向MQTT发送相关消息。

此外，国内很多企业都广泛使用MQTT作为Android手机客户端与服务器端推送消息的协议。其中Sohu，Cmstop手机客户端中均有使用到MQTT作为消息推送消息。据Cmstop主要负责消息推送的高级研发工程师李文凯称，随着移动互联网的发展，MQTT由于开放源代码，耗电量小等特点，将会在移动消息推送领域会有更多的贡献，在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集，MQTT都可以作为考虑的方案之一。在未来MQTT会进入到我们生活的各各方面。

如果需要下载MQTT服务器端，可以直接去MQTT官方网站点击software进行下载MQTT协议衍生出来的各个不同版本。

MQTT特点

MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

1、使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；

这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。

2、对负载内容屏蔽的消息传输；

3、使用 TCP/IP 提供网络连接；

主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

4、有三种消息发布服务质量：

"至多一次"，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。

"至少一次"，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

"只有一次"，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

5、小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；

这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。

6、使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。

Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。

设计规范

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

• （1）精简，不添加可有可无的功能；
• （2）发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；
• （3）允许用户动态创建主题，零运维成本；
• （4）把传输量降到最低以提高传输效率；
• （5）把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；
• （6）支持连续的会话控制；
• （7）理解客户端计算能力可能很低；
• （8）提供服务质量管理；
• （9）假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

MQTT协议原理 1 MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker，经纪人）（服务器）、订阅者（Subscribe）。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，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

Topic（话题; 题目; 标题;）：可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；

payload（有效载荷，有酬负载）：可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

4.2 网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。

当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关联。

4.3 MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

• （1）发布其他客户端可能会订阅的信息；
• （2）订阅其它客户端发布的消息；
• （3）退订或删除应用程序的消息；
• （4）断开与服务器连接。

4.4 MQTT服务器

MQTT服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

• （1）接受来自客户的网络连接；
• （2）接受客户发布的应用信息；
• （3）处理来自客户端的订阅和退订请求；
• （4）向订阅的客户转发应用程序消息。

4.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

二、会话（Session）

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话（一个socket连接），客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

三、主题名（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

四、主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

五、负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

4.6 MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

• （1）Connect。等待与服务器建立连接。
• （2）Disconnect。等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。
• （3）Subscribe。等待完成订阅。
• （4）UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
• （5）Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

五、MQTT协议数据包结构

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。MQTT数据包结构如下：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

5.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

Bit76543210byte 1MQTT数据包类型不同类型MQTT数据包的具体标识byte 2…剩余长度

1）MQTT数据包类型

byte 1，位置： bits 7-4。（第一个字节的高7位到高4位）

相于一个4位的无符号值，类型如下：

名称值流方向描述Reserved        （0000xxxx）0不可用保留位CONNECT       （0001xxxx）1客户端到服务器客户端请求连接到服务器CONNACK       （0010xxxx）2服务器到客户端连接确认PUBLISH          （0011xxxx）3双向发布消息PUBACK          （0100xxxx）4双向发布确认PUBREC          （0101xxxx）5双向发布收到（保证第1部分到达）PUBREL           （0110xxxx）6双赂发布释放（保证第2部分到达）PUBCOMP        （0111xxxx）7双向发布完成（保证第3部分到达）SUBSCRIBE     （1000xxxx）8客户端到服务器客户端请求订阅SUBACK          （1001xxxx）9服务器到客户端订阅确认UNSUBSCRIBE（1010xxxx）10客户端到服务器请求取消订阅UNSUBACK      （1011xxxx）11服务器到客户端取消订阅确认PINGREQ         （1100xxxx）12客户端到服务器PING请求PINGRESP       （1101xxxx）13服务器到客户端PING应答DISCONNECT  （1110xxxx）14客户端到服务器中断连接Reserved          （1111xxxx）15不可用保留位

标识位

byte 1，位置：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 3Bit 2Bit 1Bit 0CONNECT保留位0000CONNACK保留位0000PUBLISHMQTT 3.1.1使用DUP1QoS2QoS2RETAIN3PUBACK保留位0000PUBREC保留位0000PUBREL保留位0000PUBCOMP保留位0000SUBSCRIBE保留位0000SUBACK保留位0000UNSUBSCRIBE保留位0000UNSUBACK保留位0000PINGREQ保留位0000PINGRESP保留位0000DISCONNECT保留位0000

• 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。

（2）QoS：发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数

Ø00：最多一次，即：=1

Ø10：一次，即：=1

Ø11：预留

（3）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。

5.1.3 剩余长度（Remaining Length）

地址：Byte 2。（两个字节）

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

5.2 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，较常的应用是作为包的标识：

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。

5.3 Payload消息体

Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：

（1）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。

（2）SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。

（3）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。

（4）UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。

支持MQTT协议消息中间件产品？

目前有很多的MQTT消息中间件服务器，如下，都是MQTT协议的服务器端的实现。

• IBM Websphere

• MQ Telemetry

• IBM MessageSight

• Mosquitto

• Eclipse Paho

• emqttd Xively

• m2m.io

• webMethods

• Nirvana Messaging

• RabbitMQ

• Apache ActiveMQ

• Apache Apollo

• Moquette

• HiveMQ

• Mosca

• Litmus Automation Loop

• JoramMQ

• ThingMQ

• VerneMQ