一文讀懂MQTT協議是什么
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[文章內容簡介]：一文讀懂MQTT協議是什么
一 概述
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議)，是一種基于發布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通訊協議，該協議構建于TCP/IP協議上，由IBM在1999年發布。MQTT最大優點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。
MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議。MQTT協議是輕量、簡單、開放和易于實現的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器(M2M)通信和物聯網(IoT)。其在，通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。
2014年發布的MQTT v3.1.1是當前MQTT協議的最新版本。除標準版外，還有一個簡化版MQTT-SN，該協議主要針對嵌入式設備，這些設備一般工作于TCP/IP網絡，如：ZigBee。
二 設計原則
由于物聯網的環境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設計原則：
(1)精簡，不添加可有可無的功能；
(2)發布/訂閱(Pub/Sub)模式，方便消息在傳感器之間傳遞；
(3)允許用戶動態創建主題，零運維成本；
(4)把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；
(5)把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在內；
(6)支持連續的會話控制；
(7)理解客戶端計算能力可能很低；
(8)提供服務質量管理；
(9)假設數據不可知，不強求傳輸數據的類型與格式，保持靈活性。
三 特性
MQTT協議工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議，它具有以下主要的幾項特性：
(1)使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合。
這一點很類似于XMPP，但是MQTT的信息冗余遠小于XMPP，因為XMPP使用XML格式文本來傳遞數據。
(2)對負載內容屏蔽的消息傳輸。
(3)使用TCP/IP提供網絡連接。
主流的MQTT是基于TCP連接進行數據推送的，但是同樣有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。這兩種版本由于基于不同的連接方式，優缺點自然也就各有不同了。
(4)有三種消息發布服務質量：
“至多一次”，消息發布完全依賴底層TCP/IP網絡。會發生消息丟失或重復。這一級別可用于如下情況，環境傳感器數據，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久后還會有第二次發送。這一種方式主要普通APP的推送，倘若你的智能設備在消息推送時未聯網，推送過去沒收到，再次聯網也就收不到了。
“至少一次”，確保消息到達，但消息重復可能會發生。
“只有一次”，確保消息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別。在計費系統中，消息重復或丟失會導致不正確的結果。這種最高質量的消息發布服務還可以用于即時通訊類的APP的推送，確保用戶收到且只會收到一次。
(5)小型傳輸，開銷很小(固定長度的頭部是2字節)，協議交換最小化，以降低網絡流量。
這就是為什么在介紹里說它非常適合“在物聯網領域，傳感器與服務器的通信，信息的收集”，要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協議來傳遞消息再適合不過了。
(6)使用Last Will和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。
Last Will：即遺言機制，用于通知同一主題下的其他設備發送遺言的設備已經斷開了連接。
Testament：遺囑機制，功能類似于Last Will。
四 MQTT協議原理
1 MQTT協議實現方式
實現MQTT協議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協議中有三種身份：發布者(Publish)、代理(Broker)(服務器)、訂閱者(Subscribe)。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發布者可以同時是訂閱者。
MQTT傳輸的消息分為：主題(Topic)和負載(payload)兩部分：
(1)Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱(Subscribe)后，就會收到該主題的消息內容(payload)；
(2)payload，可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。
2 網絡傳輸與應用消息
MQTT會構建底層網絡傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于字節流的雙向傳輸。
當應用數據通過MQTT網絡發送時，MQTT會把與之相關的服務質量(QoS)和主題名(Topic)相關連。
3 MQTT客戶端
一個使用MQTT協議的應用程序或者設備，它總是建立到服務器的網絡連接。客戶端可以：
(1)發布其他客戶端可能會訂閱的信息；
(2)訂閱其它客戶端發布的消息；
(3)退訂或刪除應用程序的消息；
(4)斷開與服務器連接。
4 MQTT服務器
MQTT服務器以稱為“消息代理”(Broker)，可以是一個應用程序或一臺設備。它是位于消息發布者和訂閱者之間，它可以：
(1)接受來自客戶的網絡連接；
(2)接受客戶發布的應用信息；
(3)處理來自客戶端的訂閱和退訂請求；
(4)向訂閱的客戶轉發應用程序消息。
5 MQTT協議中的訂閱、主題、會話
一、訂閱(Subscription)
訂閱包含主題篩選器(Topic Filter)和最大服務質量(QoS)。訂閱會與一個會話(Session)關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。
二、會話(Session)
每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態交互。會話存在于一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。
三、主題名(Topic Name)
連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。
四、主題篩選器(Topic Filter)
一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。
五、負載(Payload)
消息訂閱者所具體接收的內容。
6 MQTT協議中的方法
MQTT協議中定義了一些方法(也被稱為動作)，來于表示對確定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的數據或動態生成數據，這取決于服務器的實現。通常來說，資源指服務器上的文件或輸出。主要方法有：
(1)Connect。等待與服務器建立連接。
(2)Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作，并與服務器斷開TCP/IP會話。
(3)Subscribe。等待完成訂閱。
(4)UnSubscribe。等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。
(5)Publish。MQTT客戶端發送消息請求，發送完成后返回應用程序線程。
五 MQTT協議數據包結構
在MQTT協議中，一個MQTT數據包由：固定頭(Fixed header)、可變頭(Variable header)、消息體(payload)三部分構成。MQTT數據包結構如下：
(1)固定頭(Fixed header)。存在于所有MQTT數據包中，表示數據包類型及數據包的分組類標識。
(2)可變頭(Variable header)。存在于部分MQTT數據包中，數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。
(3)消息體(Payload)。存在于部分MQTT數據包中，表示客戶端收到的具體內容。
1 MQTT固定頭
固定頭存在于所有MQTT數據包中，其結構如下：
1.1 MQTT數據包類型
位置：Byte 1中bits 7-4。
相于一個4位的無符號值，類型、取值及描述如下：
1.2 標識位
位置：Byte 1中bits 3-0。
在不使用標識位的消息類型中，標識位被作為保留位。如果收到無效的標志時，接收端必須關閉網絡連接：
(1)DUP：發布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設置為1，則在下面的變長中增加MessageId，并且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測消息重復發送。
(2)QoS：發布消息的服務質量，即：保證消息傳遞的次數
Ø00：最多一次，即：<=1
Ø01：至少一次，即：>=1
Ø10：一次，即：=1
Ø11：預留
(3)RETAIN： 發布保留標識，表示服務器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現，就把這消息推送給它，如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。
1.3 剩余長度(Remaining Length)
地址：Byte 2。
固定頭的第二字節用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節是可以擴展，其保存機制，前7位用于保存長度，后一部用做標識。當最后一位為1時，表示長度不足，需要使用二個字節繼續保存。例如：計算出后面的大小為0
2 MQTT可變頭
MQTT數據包中包含一個可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間。可變頭的內容因數據包類型而不同，較常的應用是作為包的標識：
很多類型數據包中都包括一個2字節的數據包標識字段，這些類型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。
3 Payload消息體
Payload消息體位MQTT數據包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息：
(1)CONNECT，消息體內容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
(2)SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
(3)SUBACK，消息體內容是服務器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。
(4)UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。
六 emqx使用
1 安裝啟動
進入到emqx解壓后目錄，進入bin目錄，執行其下的命令腳本：
$ ./bin/emqx start
emqx 4.0.0 is started successfully!
$ ./bin/emqx_ctl status
Node '[email protected]' is started
emqx v4.0.0 is running
1
2
3
4
5
停止 EMQ X Broker：
$ ./bin/emqx stop
ok
1
2
卸載 EMQ X Broker，直接刪除 EMQ X 目錄即可。
2 Emqx Dashboard插件
Emqx自帶dashboard插件，通過 Dashboard，你可以查看服務器基本信息、負載情況和統計數據，可以查看某個客戶端的連接狀態等信息甚至斷開其連接，也可以動態加載和卸載指定插件。除此之外，EMQ X Dashboard 還提供了規則引擎的可視化操作界面，同時集成了一個簡易的 MQTT 客戶端工具供用戶測試使用。
當 EMQ X 成功運行在你的本地計算機上且 EMQ X Dashboard 被默認啟用時，你可以訪問 http://localhost:18083 來查看你的 Dashboard，默認用戶名是 admin，密碼是 public。
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