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实现

角色划分：

• 订阅者(Subscriber)：接收消息的客户端
• 发布者(Publisher)：发送消息的客户端
• 代理服务器(Broker)：消息中继服务器

架构分类：

• 服务器端：仅包含代理服务器
• 客户端：包含订阅者和发布者

通信特点：

• 客户端可同时具备发布和订阅功能
• 通过向代理服务器发送连接请求建立通信

设计原则与特性

精简设计

把传输量降到最低

• 设计理念：仅传输必要内容，去除冗余功能
• 适用场景：考虑物联网设备网络条件苛刻（远距离传输、时断时续）
• 实现方式：协议头精简，数据包体积最小化

发布/订阅模式

一对多消息发布

• 工作模式：
  • 采用(Pub/sub)模式
• 优势：
  • 解除应用程序耦合
  • 一条消息可被多个订阅者接收
  • 类似广播机制，节省带宽资源
• 主题结构：
  • 采用分层结构（如home/temperature）
  • 支持通配符订阅（#表示多级，+表示单级）

动态主题管理

允许用户动态创建主题

• 管理特性：
  • 运行时动态创建/修改主题
  • 支持主题取消订阅
  • 发布者可灵活切换主题
• 示例：温湿度传感器可动态发布home/temperature和home/humidity两个主题

服务质量管理

三种消息发布服务质量

• QoS 0（至多一次）：
  • 代理服务器最多推送一次
  • 不保证消息到达
• QoS 1（至少一次）：
  • 保证消息至少到达一次
  • 可能产生重复消息
• QoS 2（只有一次）：
  • 确保消息精确到达一次
  • 适用于计费系统等关键场景

遗嘱特性

通知客户端异常中断的机制

• 工作机制：
  • 客户端首次连接时设置遗嘱消息
  • 异常断开时代理服务器执行遗嘱
• 应用场景：
  • 网络不稳定导致的意外断开
  • 设备故障通知
• 实现方式：通过心跳包检测连接状态，超时后触发遗嘱

MQTT消息报文

MQTT是应用层协议，需要借助TCP/IP协议进行传输，与HTTP/FTP协议类似

固定头部

用于区分多种消息类型（如连接、发布、订阅等）

• 结构组成：

  • 首字节：表示MQTT消息的报文类型及控制标记

    • 高4位表示协议类型，对应16种消息类型

    • 常见类型：

      • 1：CONNECT（客户端连接请求）

      • 2：CONNACK（连接确认）

      • 3：PUBLISH（发布消息）

      • 8：SUBSCRIBE（订阅请求）

      • 12：PINGREQ（心跳请求）

      • 特殊值：14为DISCONNECT（断开连接），15为保留值

  • 剩余长度：标识消息报文的剩余部分长度

    • 低四位表示位域定义（仅PUBLISH消息有效）：
      • DUP位（bit3）：0表示首次发送，1表示重发消息
      • QoS位（bit2-1）：
        • 00：最多发送一次（QoS=0）
        • 01：至少发送一次（QoS=1）
        • 10：精确发送一次（QoS=2）
        • 11：非法值，触发连接关闭
      • 保留位（bit0）：固定为0

• 功能特点：通过首字节的高4位和低4位分别承载不同类型的信息

可变头部

部分协议类型中存在，部分协议中不存在

• 协议名称：固定为"MQTT"字符串，占用6个字节（byte 1-6），其中：
  • byte 1-2：长度标识（0x00 0x04）
  • byte 3-6：ASCII码分别为’M’(0x4D)、‘Q’(0x51)、‘T’(0x54)、‘T’(0x54)
• 协议级别：byte 7表示协议版本号，值为4表示MQTT 3.1.1版本
• 连接标志：byte 8包含7个控制位（从高位到低位）：
  • User Name Flag：用户名标识
  • Password Flag：密码标识
  • Will Retain：遗嘱保留标志
  • Will QoS：遗嘱服务质量（2位）
  • Will Flag：遗嘱标志
  • Clean Session：清理会话标志
  • Reserved：保留位（必须为0）

MQTT连接：在TCP连接建立后，客户端发送CONNECT报文（PSH,ACK标志），长度37字节

消息载体

包含消息的主要内容