MQTT协议
一、MQTT协议简介
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协议是为工作在低带宽、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。
二、特点
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使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布
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使用TCP/IP提供网络连接，MQTT 运行在TCP/IP 堆栈之上。
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轻量、简单、开放和易于实现，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。
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支持Q
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os（服务质量）
1、QoSO:“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。
2、QoS1:“至少—次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
3、QoS2:“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。
三、原理
1、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）（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: 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: 可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容
1.1 发布和订阅
MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。
这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。
订阅者(Subscriber)会向 消息服务器(Broker)订阅一个主题(Topic)。成功订阅后，消息服务器会将该主题下的消息转发给所有订阅者。发布者(Publisher)只能向主题名发布消息，订阅者(Subscriber)则可以通过订阅主题过滤器来通配多个主题名称。
1.2 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：
- CONNECT: 客户端连接到服务器
- CONNACK: 连接确认
- PUBLISH: 发布消息
- PUBACK: 发布消息确认
- PUBREC: 发布的消息已接收
- PUBREL: 发布的消息已释放
- PUBCOMP: 发布完成
- SUBSCRIBE: 订阅请求
- SUBACK: 订阅确认
- UNSUBSCRIBE: 取消订阅
- UNSUBACK: 取消订阅确认
- PINGREQ: 客户端发送心跳
- PINGRESP: 服务端心跳响应
- DISCONNECT: 断开连接
- AUTH: 认证
2、数据包结构
在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头、可变头、消息体三部分构成。MQTT数据包结构如下：
- 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。
- 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。
- 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。
2.1 固定头
1、消息类型
位置：Byte 1中bits 7-4。
相于一个4位的无符号值。
2、标识位
位置：byte 1, 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。
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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。
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QoS：消息质量，保证消息传递的次数
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- 00：最多一次
- 01：至少一次
- 10：只有一次
- 11：客户端或服务器认为这是一条非法的消息，会关闭当前连接
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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。
3、剩余长度
位置：byte 1。
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。
2.2 可变头
可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是做为包的标识：
2.3 消息体
四种类型：
- 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
- SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
- 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。
- UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题
四、源码安装mosquitto
#下载源码，官网：https://mosquitto.org/files/source/
wget http://mosquitto.org/files/source/mosquitto-2.0.15.tar.gz
#解压
tar -xzvf mosquitto-2.0.15.tar.gz
cd mosquitto-2.0.15/
#编译
make
#安装
make install prefix=`pwd`/../mosquitto
五、订阅与发布命令
1、mosquitto_sub 订阅主题
-c 设定‘clean session’为无效状态，这样一直保持订阅状态，即便是已经失去连接，如果再次连接仍旧能够接收的断开期间发送的消息。
-d 打印debug信息
-h 指定要连接的域名 默认为localhost
-i 指定clientId
-I 指定clientId前缀
-k keepalive 每隔一段时间，发PING消息通知broker，仍处于连接状态。 默认为60秒。
-q 指定希望接收到QoS为什么的消息 默认QoS为0
-R 不显示陈旧的消息
-t 订阅topic
-v 打印消息
--will-payload 指定一个消息，该消息当客户端与broker意外断开连接时发出。该参数需要与--will-topic一起使用
--will-qos Will的QoS值。该参数需要与--will-topic一起使用
--will-retain 指定Will消息被当做一个retain消息（即消息被广播后，该消息被保留起来）。该参数需要与--will-topic一起使用
--will-topic 用户发送Will消息的topic
2、mosquitto_pub 推送消息
-d 打印debug信息
-f 将指定文件的内容作为发送消息的内容
-h 指定要连接的域名 默认为localhost
-i 指定要给哪个clientId的用户发送消息
-I 指定给哪个clientId前缀的用户发送消息
-m 消息内容
-n 发送一个空（null）消息
-p 连接端口号
-q 指定QoS的值（0,1,2）
-t 指定topic
-u 指定broker访问用户
-P 指定broker访问密码
-V 指定MQTT协议版本
--will-payload 指定一个消息，该消息当客户端与broker意外断开连接时发出。该参数需要与--will-topic一起使用
--will-qos Will的QoS值。该参数需要与--will-topic一起使用
--will-retain 指定Will消息被当做一个retain消息（即消息被广播后，该消息被保留起来）。该参数需要与--will-topic一起使用
--will-topic 用户发送Will消息的topic
关于常用的MQTT库函数的介绍可以看下面这篇博客
