MQTT技术介绍

一、简述

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最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT 是用于物联网 (IoT) 的 OASIS 标准消息传递协议。它被设计为一种极其轻量级的发布/订阅消息传输，非常适合连接具有小代码足迹和最小网络带宽的远程设备。如今，MQTT 被广泛用于各种行业，例如汽车、制造、电信、石油和天然气等。

二、设计规范

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

（1）精简，不添加可有可无的功能；

（2）发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；

（3）允许用户动态创建主题，零运维成本；

（4）把传输量降到最低以提高传输效率；

（5）把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；

（6）支持连续的会话控制；

（7）理解客户端计算能力可能很低；

（8）提供服务质量管理；

（9）假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

三、主要特性

MQTT协议工作在低带宽、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，它具有以下主要的几项特性：

（1）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。

这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。

（2）对负载内容屏蔽的消息传输。

（3）使用TCP/IP提供网络连接。

主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

（4）有三种消息发布服务质量：

“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。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。

“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

“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。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

（5）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。

这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集”，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。

（6）使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。

Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。

四、MQTT协议原理

4.1 MQTT协议实现方式
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：

（1）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）；

（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

4.2 网络传输与应用消息
MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。

当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

4.3MQTT客户端
一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

（1）发布其他客户端可能会订阅的信息；

（2）订阅其它客户端发布的消息；

（3）退订或删除应用程序的消息；

（4）断开与服务器连接。

4.4 MQTT服务器
MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于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。

五、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。

六、 MQTT通讯类型

名字	值	流向	描述
CONNECT	1	C->S	客户端请求与服务端建立连接
CONNACK	2	S->C	服务端确认连接建立
PUBLISH	3	CóS	发布消息
PUBACK	4	CóS	收到发布消息确认
PUBREC	5	CóS	发布消息收到
PUBREL	6	CóS	发布消息释放
PUBCOMP	7	CóS	发布消息完成
SUBSCRIBE	8	C->S	订阅请求
SUBACK	9	S->C	订阅确认
UNSUBSCRIBE	10	C->S	取消订阅
UNSUBACK	11	S->C	取消订阅确认
PING	12	C->S	客户端发送PING(连接保活)命令
PINGRSP	13	S->C	PING命令回复
DISCONNECT	14	C->S	断开连接

七、MQTT QoS等级

QoS(Quality of Service)，服务质量。MQTT中有三种Qos：

QoS0，At most once，至多一次；

QoS1，At least once，至少一次；

QoS2，Exactly once，确保只有一次。

QoS 是消息的发送方（Sender）和接受方（Receiver）之间达成的一个协议：

l QoS0 代表，Sender 发送的一条消息，Receiver 最多能收到一次，也就是说 Sender 尽力向 Receiver 发送消息，如果发送失败，也就算了；

Sender 向 Receiver 发送一个包含消息数据的 PUBLISH 包，然后不管结果如何，丢弃掉已发送的 PUBLISH 包，一条消息的发送完成。

l QoS1 代表，Sender 发送的一条消息，Receiver 至少能收到一次，也就是说 Sender 向 Receiver 发送消息，如果发送失败，会继续重试，直到 Receiver 收到消息为止，

QoS 要保证消息至少到达 Sender 一次，所以有一个应答的机制。

Sender 向 Receiver 发送一个带有消息数据的 PUBLISH 包，并在本地保存这个 PUBLISH 包。
Receiver 收到 PUBLISH 包以后，向 Sender 发送一个 PUBACK 数据包，PUBACK 数据包没有消息体（Payload），在可变头中（Variable header）中有一个包标识（Packet Identifier），和它收到的 PUBLISH 包中的 Packet Identifier 一致。
Sender 收到 PUBACK 之后，根据 PUBACK 包中的 Packet Identifier 找到本地保存的 PUBLISH 包，然后丢弃掉，一次消息的发送完成。
如果 Sender 在一段时间内没有收到 PUBLISH 包对应的 PUBACK，它将该 PUBLISH 包的 DUP 标识设为 1（代表是重新发送的 PUBLISH 包），然后重新发送该 PUBLISH 包。重复这个流程，直到收到 PUBACK，然后执行第 3 步。

l QoS2 代表，Sender 发送的一条消息，Receiver 确保能收到而且只收到一次，也就是说 Sender 尽力向 Receiver 发送消息，如果发送失败，会继续重试，直到 Receiver 收到消息为止，同时保证 Receiver 不会因为消息重传而收到重复的消息。

Sender 发送 QoS 为 2 的 PUBLISH 数据包，数据包 Packet Identifier 为 P，并在本地保存该 PUBLISH 包；
Receiver 收到 PUBLISH 数据包以后，在本地保存 PUBLISH 包的 Packet Identifier P，并回复 Sender 一个 PUBREC 数据包，PUBREC 数据包可变头中的 Packet Identifier 为 P，没有消息体（Payload）；
当 Sender 收到 PUBREC，它就可以安全地丢弃掉初始的 Packet Identifier 为 P 的 PUBLISH 数据包，同时保存该 PUBREC 数据包，同时回复 Receiver 一个 PUBREL 数据包，PUBREL 数据包可变头中的 Packet Identifier 为 P，没有消息体；如果 Sender 在一定时间内没有收到 PUBREC，它会把 PUBLISH 包的 DUP 标识设为 1，重新发送该 PUBLISH 数据包（Payload）；
当 Receiver 收到 PUBREL 数据包，它可以丢弃掉保存的 PUBLISH 包的 Packet Identifier P，并回复 Sender 一个 PUBCOMP 数据包，PUBCOMP 数据包可变头中的 Packet Identifier 为 P，没有消息体（Payload）；
当 Sender 收到 PUBCOMP 包，那么它认为数据包传输已完成，它会丢弃掉对应的 PUBREC 包。如果 Sender 在一定时间内没有收到 PUBCOMP 包，它会重新发送 PUBREL 数据包。

注：QoS 是 Sender 和 Receiver 之间达成的协议，不是 Publisher 和 Subscriber 之间达成的协议。也就是说 Publisher 发布一条 QoS1 的消息，只能保证 Broker 能至少收到一次这个消息；至于对应的 Subscriber 能否至少收到一次这个消息，还要取决于 Subscriber 在 Subscribe 的时候和 Broker 协商的 QoS 等级。

QoS 和会话（Session）

如果 Client 想接收离线消息，必须使用持久化的会话（Clean Session = 0）连接到 Broker，这样 Broker 才会存储 Client 在离线期间没有确认接收的 QoS 大于 1 的消息。

QoS降级问题

在 MQTT 协议中，从 Broker 到 Subscriber 这段消息传递的实际 QoS 等于：Publisher 发布消息时指定的 QoS 等级和 Subscriber 在订阅时与 Broker 协商的 QoS 等级，这两个 QoS 等级中的最小那一个。

QoS选择

在以下情况下你可以选择 QoS0：

Client 和 Broker 之间的网络连接非常稳定，例如一个通过有线网络连接到 Broker 的测试用 Client；
可以接受丢失部分消息，比如你有一个传感器以非常短的间隔发布状态数据，所以丢一些也可以接受；
不需要离线消息。

在以下情况下你应该选择 QoS1：

你需要接收所有的消息，而且你的应用可以接受并处理重复的消息；
你无法接受 QoS2 带来的额外开销，QoS1 发送消息的速度比 QoS2 快很多。

在以下情况下你应该选择 QoS2：

你的应用必须接收到所有的消息，而且你的应用在重复的消息下无法正常工作，同时你也能接受 QoS2 带来的额外开销。

八，MQTT的retain标志位

当我们使用MQTT客户端发布消息（PUBLISH）时，如果将RETAIN标志位设置为true，那么MQTT服务器会将最近收到的一条RETAIN标志位为true的消息保存在服务器端（内存或文件）。

特别注意：MQTT服务器只会为每一个Topic保存最近收到的一条RETAIN标志位为true的消息！也就是说，如果MQTT服务器上已经为某个Topic保存了一条Retained消息，当客户端再次发布一条新的Retained消息，那么服务器上原来的那条消息会被覆盖！

每当MQTT客户端连接到MQTT服务器并订阅了某个topic，如果该topic下有Retained消息，那么MQTT服务器会立即向客户端推送该条Retained消息。

九，MQTT的will（遗愿消息）

想一下以下场景，你的设备向服务端发送了在线的消息后突然爆炸了，它还没来得及和服务端说它爆炸了就死了，这样会勿让我们以为它还在线，但其实它已经挂了。有没有方法让客户端非正常断线后通知服务端呢？有的，就是使用遗愿消息，

在建立与服务端的连接时约定好遗愿消息，服务端会存储这个消息，当客户端非正常断线时则会向约定好的主题发送遗愿消息，同样，它也可以设置为retian。

该库用于以下项目：

Azure 函数 MQTT 绑定，https://github.com/keesschollaart81/CaseOnline.Azure.WebJobs.Extensions.Mqtt )
HA4IoT（.NET 的开源家庭自动化系统，https://github.com/chkr1011/HA4IoT）
MQTT 客户端 Rx（反应式扩展的包装器，https://github.com/1iveowl/MQTTClient.rx）
MQTT 客户端 Rx（用于响应式扩展的托管客户端包装器，https://github.com/mmuecke/RxMQTTnet）
MQTT Tester（适用于Android和iOS的 MQTT 客户端测试应用程序）
MQTTnet App（MQTT调试、检测等跨平台客户端应用，https://github.com/chkr1011/MQTTnetApp）
Wirehome.Core（.NET Core 的开源家庭自动化系统，https://github.com/chkr1011/Wirehome.Core）
SparkplugNet（.Net 的 Sparkplug 库，https: //github.com/SeppPenner/SparkplugNet）
Silverback（构建事件驱动应用程序的框架 - 支持 MQTT、Kafka 和 RabbitMQ）https://github.com/BEagle1984/silverback