MQTT协议

MQTT轻量发布订阅消息协议

概览

MQTT是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计。

MQTT官网: http://mqtt.org

MQTT V3.1.1协议规范: http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html

MQTT中文文档：https://mcxiaoke.gitbooks.io/mqtt-cn/content/mqtt/01-Introduction.html

特点

1. 开放消息协议，简单易实现

2. 发布订阅模式，一对多消息发布

3. 基于TCP/IP网络连接

4. 1字节固定报头，2字节心跳报文，报文结构紧凑

5. 消息QoS支持，可靠传输保证

应用

MQTT协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。

1. 物联网M2M通信，物联网大数据采集

2. Android消息推送，WEB消息推送

3. 移动即时消息，例如Facebook Messenger

4. 智能硬件、智能家具、智能电器

5. 车联网通信，电动车站桩采集

6. 智慧城市、远程医疗、远程教育

7. 电力、石油与能源等行业市场

MQTT基于主题(Topic)消息路由

MQTT协议基于主题(Topic)进行消息路由，主题(Topic)类似URL路径，例如:

chat/room/1

sensor/10/temperature

sensor/+/temperature

$SYS/broker/metrics/packets/received

$SYS/broker/metrics/#

主题(Topic)通过’/’分割层级，支持’+’, ‘#’通配符:

'+': 表示通配一个层级，例如a/+，匹配a/x, a/y

'#': 表示通配多个层级，例如a/#，匹配a/x, a/b/c/d

订阅者与发布者之间通过主题路由消息进行通信，例如采用mosquitto命令行发布订阅消息:

mosquitto_sub -t a/b/+ -q 1

mosquitto_pub -t a/b/c -m hello -q 1

订阅者可以订阅含通配符主题，但发布者不允许向含通配符主题发布消息。

MQTT V3.1.1协议报文

报文结构

固定报头(Fixed header)
可变报头(Variable header)
报文有效载荷(Payload)

固定报头

Bit	7	6	5	4	3	2	1	0
byte1	MQTT Packet type				Flags
byte2...	Remaining Length

报文类型

类型名称	类型值	报文说明
CONNECT	1	发起连接
CONNACK	2	连接回执
PUBLISH	3	发布消息
PUBACK	4	发布回执
PUBREC	5	QoS2消息回执
PUBREL	6	QoS2消息释放
PUBCOMP	7	QoS2消息完成
SUBSCRIBE	8	订阅主题
SUBACK	9	订阅回执
UNSUBSCRIBE	10	取消订阅
UNSUBACK	11	取消订阅回执
PINGREQ	12	PING请求
PINGRESP	13	PING响应
DISCONNECT	14	断开连接

PUBLISH发布消息

PUBLISH报文承载客户端与服务器间双向的发布消息。 PUBACK报文用于接收端确认QoS1报文，PUBREC/PUBREL/PUBCOMP报文用于QoS2消息流程。

PINGREQ/PINGRESP心跳

客户端在无报文发送时，按保活周期(KeepAlive)定时向服务端发送PINGREQ心跳报文，服务端响应PINGRESP报文。PINGREQ/PINGRESP报文均2个字节。

MQTT消息QoS

MQTT发布消息QoS保证不是端到端的，是客户端与服务器之间的。订阅者收到MQTT消息的QoS级别，最终取决于发布消息的QoS和主题订阅的QoS。

发布消息的QoS	主题订阅的QoS	接收消息的QoS
0	0	0
0	1	0
0	2	0
1	0	0
1	1	1
1	2	1
2	0	0
2	1	1
2	2	2

Qos0消息发布订阅

Qos1消息发布订阅

Qos2消息发布订阅

MQTT会话(Clean Session)

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，可以通过’Clean Session’标志设置会话。

‘Clean Session’设置为0，表示创建一个持久会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销。

‘Clean Session’设置为1，表示创建一个新的临时会话，在客户端断开时，会话自动销毁。

MQTT连接保活心跳

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，通过KeepAlive参数设置保活周期。

客户端在无报文发送时，按KeepAlive周期定时发送2字节的PINGREQ心跳报文，服务端收到PINGREQ报文后，回复2字节的PINGRESP报文。

服务端在1.5个心跳周期内，既没有收到客户端发布订阅报文，也没有收到PINGREQ心跳报文时，主动心跳超时断开客户端TCP连接。

MQTT遗愿消息(Last Will)

MQTT客户端向服务器端CONNECT请求时，可以设置是否发送遗愿消息(Will Message)标志，和遗愿消息主题(Topic)与内容(Payload)。

MQTT客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送DISCONNECT消息)，MQTT消息服务器会发布遗愿消息。

MQTT保留消息(Retained Message)

MQTT客户端向服务器发布(PUBLISH)消息时，可以设置保留消息(Retained Message)标志。保留消息(Retained Message)会驻留在消息服务器，后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息。

例如mosquitto命令行发布一条保留消息到主题’a/b/c’:

mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m 'hello'

之后连接上来的MQTT客户端订阅主题’a/b/c’时候，仍可收到该消息:

$ mosquitto_sub -t a/b/c -q 1
hello

保留消息(Retained Message)有两种清除方式:

1. 客户端向有保留消息的主题发布一个空消息:

   mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m ''

2. 消息服务器设置保留消息的超期时间。

MQTT WebSocket连接

MQTT协议除支持TCP传输层外，还支持WebSocket作为传输层。通过WebSocket浏览器可以直连MQTT消息服务器，发布订阅模式与其他MQTT客户端通信。

MQTT协议的WebSocket连接，必须采用binary模式，并携带子协议Header:

Sec-WebSocket-Protocol: mqttv3.1 或 mqttv3.1.1

MQTT协议客户端库

Eclipse Paho客户端库

Paho官网: http://www.eclipse.org/paho/

mqtt.org官网客户端库

mqtt.org: https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries

MQTT与XMPP协议对比

MQTT协议设计简单轻量、路由灵活，将在移动互联网物联网消息领域，全面取代PC时代的XMPP协议:

1. MQTT协议一个字节固定报头，两个字节心跳报文，报文体积小编解码容易。XMPP协议基于繁重的XML，报文体积大且交互繁琐。

2. MQTT协议基于主题(Topic)发布订阅模式消息路由，相比XMPP基于JID的点对点消息路由更为灵活。

3. MQTT协议未定义报文内容格式，可以承载JSON、二进制等不同类型报文。XMPP协议采用XML承载报文，二进制必须Base64编码等处理。

4. MQTT协议支持消息收发确认和QoS保证，XMPP主协议并未定义类似机制。MQTT协议有更好的消息可靠性保证。