[導讀]大家都知道，MQTT協議在物聯網中很常用，如果你對此還不是很了解，相信這篇文章可以帶你入門。
大家好，我是小麥，最近做了一個物聯網的項目，順便總結一下MQTT協議。大家都知道，MQTT協議在物聯網中很常用，如果你對此還不是很了解，相信這篇文章可以帶你入門。
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mqtt協議
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1 MQTT協議特點
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發(fā)布和訂閱
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QoS（Quality of Service levels）
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2 MQTT 數據包結構
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2.1 MQTT固定頭
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2.2 MQTT可變頭 / Variable header
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2.3 Payload消息體
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3 環(huán)境搭建
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3.1 MQTT服務器搭建
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3.2 MQTT Client
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4 總結
mqtt協議
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），是一種基于發(fā)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(fā)布。
MQTT最大優(yōu)點在于，用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。
1 MQTT協議特點
MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)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(huán)境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯網（IoT）。
其在，通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。
MQTT協議當前版本為，2014年發(fā)布的MQTT v3.1.1。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。
MQTT 與 HTTP 一樣，MQTT 運行在傳輸控制協議/互聯網協議 (TCP/IP) 堆棧之上。
MQTT OSI
發(fā)布和訂閱
MQTT使用的發(fā)布/訂閱消息模式，它提供了一對多的消息分發(fā)機制，從而實現與應用程序的解耦。
這是一種消息傳遞模式，消息不是直接從發(fā)送器發(fā)送到接收器（即點對點），而是由MQTT server（或稱為 MQTT Broker）分發(fā)的。
MQTT 服務器是發(fā)布-訂閱架構的核心。
它可以非常簡單地在Raspberry Pi或NAS等單板計算機上實現，當然也可以在大型機或 Internet 服務器上實現。
服務器分發(fā)消息，因此必須是發(fā)布者，但絕不是訂閱者！
客戶端可以發(fā)布消息（發(fā)送方）、訂閱消息（接收方）或兩者兼而有之。
客戶端（也稱為節(jié)點）是一種智能設備，如微控制器或具有 TCP/IP 堆棧和實現 MQTT 協議的軟件的計算機。
消息在允許過濾的主題下發(fā)布。主題是分層劃分的 UTF-8 字符串。不同的主題級別用斜杠/作為分隔符號。
我們來看看下面的設置。
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光伏發(fā)電站是發(fā)布者（
Publisher）。
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主要主題（Topic）級別是"PV"，這個工廠發(fā)布兩個子級別"sunshine"和"data"；
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"PV/sunshine"是一個布爾值（true/fault，也可以是 1/0），充電站需要它來知道是否應該裝載電動汽車（僅在陽光普照時 :)）。
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充電站（EVSE）是訂閱者，訂閱"PV/sunshine"從服務器獲取信息。
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"PV/data"另一方面，以 kW 為單位傳輸工廠產生的瞬時功率，并且該主題可以例如通過計算機或平板電腦訂閱，以生成一天內傳輸功率的圖表。
這就是一個簡單的MQTT的應用場景，具體如下圖所示；
MQTT 發(fā)布和訂閱
QoS（Quality of Service levels）
服務質量是 MQTT 的一個重要特性。當我們使用 TCP/IP 時，連接已經在一定程度上受到保護。但是在無線網絡中，中斷和干擾很頻繁，MQTT 在這里幫助避免信息丟失及其服務質量水平。這些級別在發(fā)布時使用。如果客戶端發(fā)布到 MQTT 服務器，則客戶端將是發(fā)送者，MQTT 服務器將是接收者。當MQTT服務器向客戶端發(fā)布消息時，服務器是發(fā)送者，客戶端是接收者。
QoS 0
這一級別會發(fā)生消息丟失或重復，消息發(fā)布依賴于底層TCP/IP網絡。即：<=1
QoS 1
QoS 1 承諾消息將至少傳送一次給訂閱者。
QoS 2
使用 QoS 2，我們保證消息僅傳送到目的地一次。為此，帶有唯一消息 ID 的消息會存儲兩次，首先來自發(fā)送者，然后是接收者。QoS 級別 2 在網絡中具有最高的開銷，因為在發(fā)送方和接收方之間需要兩個流。
2 MQTT 數據包結構
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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；
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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；
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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；
整體MQTT的消息格式如下圖所示；
2.1MQTT固定頭
固定頭存在于所有MQTT數據包中，其結構如下：
下面簡單分析一下固定頭的消息格式；
MQTT消息類型 / message type
**位置：**byte 1, bits 7-4。
4位的無符號值，類型如下：
名稱
值
流方向
描述
Reserved
0
不可用
保留位
CONNECT
1
客戶端到服務器
客戶端請求連接到服務器
CONNACK
2
服務器到客戶端
連接確認
PUBLISH
3
雙向
發(fā)布消息
PUBACK
4
雙向
發(fā)布確認
PUBREC
5
雙向
發(fā)布收到（保證第1部分到達）
PUBREL
6
雙向
發(fā)布釋放（保證第2部分到達）
PUBCOMP
7
雙向
發(fā)布完成（保證第3部分到達）
SUBSCRIBE
8
客戶端到服務器
客戶端請求訂閱
SUBACK
9
服務器到客戶端
訂閱確認
UNSUBSCRIBE
10
客戶端到服務器
請求取消訂閱
UNSUBACK
11
服務器到客戶端
取消訂閱確認
PINGREQ
12
客戶端到服務器
PING請求
PINGRESP
13
服務器到客戶端
PING應答
DISCONNECT
14
客戶端到服務器
中斷連接
Reserved
15
不可用
保留位
標識位 / DUP
**位置：**byte 1, 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：
數據包
標識位
Bit 3
Bit 2
Bit 1
Bit 0
CONNECT
保留位
0
0
0
0
CONNACK
保留位
0
0
0
0
PUBLISH
MQTT 3.1.1使用
DUP1
QoS2
QoS2
RETAIN3
PUBACK
保留位
0
0
0
0
PUBREC
保留位
0
0
0
0
PUBREL
保留位
0
0
0
0
PUBCOMP
保留位
0
0
0
0
SUBSCRIBE
保留位
0
0
0
0
SUBACK
保留位
0
0
0
0
UNSUBSCRIBE
保留位
0
0
0
0
UNSUBACK
保留位
0
0
0
0
PINGREQ
保留位
0
0
0
0
PINGRESP
保留位
0
0
0
0
DISCONNECT
保留位
0
0
0
0
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DUP：發(fā)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(fā)送。
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QoS發(fā)布消息的服務質量（前面已經做過介紹），即：保證消息傳遞的次數
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00：最多一次，即：<=1
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01：至少一次，即：>=1
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10：一次，即：=1
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11：預留
-
RETAIN：發(fā)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。
剩余長度（Remaining Length）
位置：byte 1。
固定頭的第二字節(jié)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(jié)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(jié)繼續(xù)保存。例如：計算出后面的大小為0
2.2MQTT可變頭 / Variable header
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?？勺冾^的內容因數據包類型而不同，較常的應用是做為包的標識：
Bit
7 — 0
byte 1
包標簽符（MSB）
byte 2…
包標簽符（LSB）
很多類型數據包中都包括一個2字節(jié)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
2.3Payload消息體
Payload消息體是MQTT數據包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息 有消息體：
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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
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SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
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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。
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UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。
3 環(huán)境搭建
介紹完基礎理論部分，下面在Windows平臺上搭建一個簡單的MQTT應用，進行簡單的應用，整體架構如下圖所示；
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ScRucIVO-1625480723109)(架構圖.png)]
3.1 MQTT服務器搭建
目前MQTT代理的主流平臺有下面幾個：
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Mosquitto：https://mosquitto.org/
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VerneMQ：https://vernemq.com/
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EMQTT：http://emqtt.io/
本文將使用 Mosquitoo 進行測試，進入到安裝頁面，下載自己電腦的系統(tǒng)所適配的程序；
下載頁面安裝成功之后，進入到安裝路徑下，找到mosquitto.exe；
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-YXZupgOv-1625480723111)(image-20210705171401654.png)]
按住Shift，右鍵鼠標點擊空白處，然后打開Powershell，正常打開一個終端軟件即可；
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輸入
./mosquitto.exe -h可以查看相應的幫助；
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輸入./mosquitto.exe -p 10086，就開啟了MQTT服務，監(jiān)聽的地址是127.0.0.1，端口是10086；
具體如下圖所示；
3.2 MQTT Client
服務器搭建好了，下面就是開啟客戶端，進行發(fā)布和訂閱，這樣就可以傳輸相應的消息。
這里我使用的是自己編譯了一個QT mqtt client程序，是基于Qt的官方庫進行編譯的，下面打開這個軟件，下一期簡單介紹一下如何完成這個客戶端，并設置好相應參數：
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地址：
127.0.0.1
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端口：10086
然后訂閱主題，就可以互相發(fā)送數據了，具體如下圖所示；
結合前面的圖片來看，整體的架構如下所示；
4 總結
本文簡單介紹了MQTT協議的工作原理，以及相應的協議格式，簡單介紹了協議的一些細節(jié)，具體舉出了相應的應用場景，作者水平和能力有限，文中難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。
本期就到此結束了，我是小麥，我們下期再見。
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