MQTT协议概述设计规范的主要特性MQTT协议原理简述MQTT协议分组体系结构
简述
消息队列嵌入式传输端口(MQTT )基于TCP/IP协议构建，是基于IBM于1999年构建的发布/订阅模式的“轻量级”通信协议，用于MQTT 作为低开销、低带宽的即时消息传递协议，广泛用于物联网、小型设备、移动APP应用等。
MQTT是基于客户端/服务器的消息传递/订阅传输协议。 MQTT协议重量轻、简单、开放、易于实现，这些特点使其适用范围非常广泛。 许多情况下，包括受限的环境，例如机器与机器(M2M )的通信或物联网(IoT )。 其中，被广泛用于通过卫星链路的通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家庭以及一些小型化设备。
由于设计规范对物联网环境非常特殊，MQTT遵循以下设计原则：
)简化，不追加有无可能的功能
)始发/订阅(Pub/Sub )模式，便于在传感器之间传递消息
)3)允许用户动态制定主题，杜绝运输成本；
)4)最小化传输量，提高传输效率；
)5)考虑低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素；
)6)支持连续会话控制
)7)了解客户端计算能力可能较低
(八)提供服务质量管理；
)9)假设不知道数据，不强制要求传输数据的类型和格式，保持灵活性。
主要特性MQTT协议运行于为网络中低带宽、不可靠的遥感器与控制设备之间的通信而设计的协议，具有以下主要特性：
(1)使用递送/订阅消息模式来提供一对多消息递送以及解除APP应用的耦合。
这与XMPP很相似，但MQTT信息远比XMPP冗馀。 因为XMPP使用XML格式的文本传输数据。
(2)针对负载内容的屏蔽信息传输。
)3)使用TCP/IP提供网络连接。
主流的MQTT基于TCP连接来推送数据，但同样具有被称为MQTT-SN的基于UDP的版本。 因为这两个版本基于不同的连接方式，所以优缺点当然也各不相同。
)4)有三种信息发布服务质量。
“至多一次”，信息发布完全依赖于底层的TCP/IP网络。 会发生消息丢失或重复。 此级别表示环境传感器数据可以丢失一次读取记录。 因为最近有第二次发送。 这种方式主要是普通APP推送，如果你的智能设备在推送消息的过程中没有联网，推送过去没有收到，那么再次联网也收不到。
“至少一次”允许消息到达，但可能会发生消息重复。
“只发送一次”，让信息只发送一次。 此级别可用于要求苛刻的计费系统。 在计费系统中，如果消息重复或丢失，就会产生不正确的结果。 此最高质量的消息服务还可以用于推送即时消息类APP，使用户只能收到并接收一次。
)5)小型传输的开销小(固定长度的报头为2字节)，从而最小化协议交换以减少网络业务。
所以在介绍中说“在物联网领域，最适合传感器和服务器的通信、信息的收集”。 要了解嵌入式设备的运算能力和带宽相对较弱，最好使用此协议传递消息。
(6)使用Last Will和Testament的特性，向相关人员的客户端通知异常中断的结构。
Last Will :一种遗嘱机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗嘱的设备已断开。
Testament :遗嘱的结构。 功能类似于Last Will。
MQTT协议原理4.1 MQTT协议实现方式
要实现MQTT协议，客户端和服务器端的通信必须完成。 在通信期间，MQTT协议有三个id :发布者(Publish )、代理(Broker ) (服务器)和订阅(Subscribe )。 这里，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息的发布者可以同时是订阅者。
MQTT发送的消息分为两部分：主题(Topic )和有效载荷。
)1) Topic可以理解为消息类型，当订阅者订阅时，它将接收该主题的消息内容(payload )
) payload可以理解为消息的内容，是指读者具体使用的内容。
4.2网络传输和APP应用消息
MQTT构建基本的网络传输。 建立客户端到服务器的连接，并提供基于有序无损字节流的双向传输。
当经由MQTT网络传输APP应用数据时，MQTT将与其相关联的服务质量(QoS )与主题名称(Topic )相关联。
4.3 MQTT客户端
始终在使用MQTT协议的APP应用程序或设备上建立到服务的网络连接。 客户端可以执行以下操作：
)1)发布其他客户端可能订阅的信息
)2)订阅其他客户端发布的消息
)3)取消注册或移除APP应用程序的消息
)4)断开与服务器的连接。
4.4 MQTT服务器
MQTT服务器称为“消息代理”(Broker )，可以是APP应用程序或设备。 那是消息发布者和
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，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。
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：
5.1.1 MQTT数据包类型
位置：Byte 1中bits 7-4。
相于一个4位的无符号值，类型、取值及描述如下：
5.1.2 标识位
位置：Byte 1中bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：
（1）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
Ø01：至少一次，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，如果没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。
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。