MQTT 基本知識簡介

此篇博客介紹 MQTT 的基本知識，

1 MQTT 介紹

MQTT (Message Queue Telemetry Transport)：訊息佇列遙測傳輸協議?

其主要提供了訂閱/發布兩種訊息模式，更為簡約、輕量，易于使用，特別適合于受限環境（帶寬低、網路延遲高、網路通信不穩定）的訊息分發，屬于物聯網（Internet of Thing）的一個標準傳輸協議， ?

優點：?

• 使用發布/訂閱訊息模式，提供一對多的訊息發布，解除應用程式耦合；
• 使用 TCP/IP 提供網路連接，支持 TLS
• 指定服務質量(QoS)來保證訊息可靠性
• 小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是 2 位元組），協議交換最小化，以降低網路流量
• 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有關各方客戶端例外中斷的機制

2 MQTT 協議原理

2.1 MQTT 協議實作方式

實作 MQTT 協議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊程序中，MQTT 協議中有三種身份：發布者（Publish）、代理（Broker）（服務器）、訂閱者（Subscribe），其中，訊息的發布者和訂閱者都是客戶端，訊息代理是服務器，訊息發布者可以同時是訂閱者，

MQTT 傳輸的訊息分為：主題（Topic）和負載（Payload）兩部分：

• Topic，可以理解為訊息的型別，訂閱者訂閱（Subscribe）后，就會收到該主題的訊息內容（Payload）
• Payload，可以理解為訊息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容

2.2 網路傳輸與應用訊息

MQTT 會構建底層網路傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于位元組流的雙向傳輸，

當應用資料通過 MQTT 網路發送時，MQTT 會把與之相關的服務質量（QoS）和主題名（Topic）相關連，

2.3 MQTT 客戶端

一個使用 MQTT 協議的應用程式或者設備，它總是建立到服務器的網路連接，客戶端可以：

• 發布其他客戶端可能會訂閱的資訊
• 訂閱其它客戶端發布的訊息
• 退訂或洗掉應用程式的訊息
• 斷開與服務器連接

2.4 MQTT 服務器

MQTT 服務器以稱為"訊息代理"（Broker），可以是一個應用程式或一臺設備，它是位于訊息發布者和訂閱者之間，它可以：

• 接受來自客戶的網路連接
• 接受客戶發布的應用資訊
• 處理來自客戶端的訂閱和退訂請求
• 向訂閱的客戶轉發應用程式訊息

2.5 MQTT 協議中的訂閱、主題、會話

• 訂閱（Subscription）：訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS），訂閱會與一個會話（Session）關聯，一個會話可以包含多個訂閱，每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器，

• 會話（Session）：每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態互動，會話存在于一個網路之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網路連接，

• 主題名（Topic Name）：連接到一個應用程式訊息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配，服務器會將訊息發送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端，

• 主題篩選器（Topic Filter）：一個對主題名通配符篩選器，在訂閱運算式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題，

• 負載（Payload）：訊息訂閱者所具體接收的內容，

2.6 MQTT 協議中的方法

MQTT 協議中定義了一些方法（也被稱為動作），來于表示對確定資源所進行操作，這個資源可以代表預先存在的資料或動態生成資料，這取決于服務器的實作，通常來說，資源指服務器上的檔案或輸出，主要方法有：

• Connect：等待與服務器建立連接，
• Disconnect：等待 MQTT 客戶端完成所做的作業，并與服務器斷開 TCP/IP 會話，
• Subscribe：等待完成訂閱，
• UnSubscribe：等待服務器取消客戶端的一個或多個 topics 訂閱，
• Publish：MQTT 客戶端發送訊息請求，發送完成后回傳應用程式執行緒，

2.7 簡單參考示例

圖中的 MQTT 對應角色梳理如下：

• MQTT Client ： 遵從 MQTT 的程式或設備
• MQTT Broker ： 遵從 MQTT 的程式或設備，作為發送訊息的 Client 和訂閱訊息的 Client 之間的中介
• Topic： 可以理解為訊息的標簽，訂閱訊息的 Client 訂閱 Topic 后就會收到該標簽的訊息內容
• Payload ： 可以理解為訊息的內容
• Publisher： 發布訊息的程式或設備
• Subscriber ： 接收訊息的程式或設備

3 MQTT 主要特性

MQTT 協議作業在低帶寬、不可靠的網路的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議，它具有以下主要的幾項特性：

• 使用發布/訂閱訊息模式，提供一對多的訊息發布，解除應用程式耦合，這一點很類似于 XMPP，但是 MQTT 的資訊冗余遠小于 XMPP，因為 XMPP 使用 XML 格式文本來傳遞資料

• 對負載內容屏蔽的訊息傳輸

• 使用 TCP/IP 提供網路連接

• 主流的 MQTT 是基于 TCP 連接進行資料推送的，但是同樣有基于 UDP 的版本，叫做 MQTT-SN，這兩種版本由于基于不同的連接方式，優缺點自然也就各有不同了

• 有三種訊息發布服務質量：

  • “至多一次”(QoS0)，訊息發布完全依賴底層 TCP/IP 網路，會發生訊息丟失或重復，這一級別可用于如下情況，環境傳感器資料，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久后還會有第二次發送，這一種方式主要普通 APP 的推送，倘若你的智能設備在訊息推送時未聯網，推送過去沒收到，再次聯網也就收不到了

  • “至少一次”(QoS1)，確保訊息到達，但訊息重復可能會發生

  • “只有一次”(QoS2)，確保訊息到達一次，在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別，在計費系統中，訊息重復或丟失會導致不正確的結果，這種最高質量的訊息發布服務還可以用于即時通訊類的APP的推送，確保用戶收到且只會收到一次

• 小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是2位元組），協議交換最小化，以降低網路流量，這就是為什么在介紹里說它非常適合"在物聯網領域，傳感器與服務器的通信，資訊的收集"，要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協議來傳遞訊息再適合不過了

• 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有關各方客戶端例外中斷的機制

  • Last Will：即遺言機制，用于通知同一主題下的其他設備發送遺言的設備已經斷開了連接

  • Testament：遺囑機制，功能類似于 Last Will

4 MQTT 協議資料包結構

在 MQTT 協議中，一個 MQTT 資料包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、訊息體（Payload）三部分構成，MQTT 資料包結構如下：

• 固定頭（Fixed header），存在于所有 MQTT 資料包中，表示資料包型別及資料包的分組類標識，
• 可變頭（Variable header），存在于部分 MQTT 資料包中，資料包型別決定了可變頭是否存在及其具體內容，
• 訊息體（Payload），存在于部分 MQTT 資料包中，表示客戶端收到的具體內容，

4.1 MQTT 固定頭

固定報頭，所有的 MQTT 控制報文都包含，可變報頭與有效載荷是部分 MQTT 控制報文包含， 固定報頭占據兩位元組的空間，具體見：

固定報頭的第一個位元組分為控制報文的型別（4 bit），以及控制報文型別的標志位，控制型別共有 14 種，其中 0 與 15 被系統保留出來，其他的型別具體見：

固定報頭的 bit0 - bit3 為標志位，依照報文型別有不同的含義，事實上，除了 PUBLISH 型別報文以外，其他報文的標志位均為系統保留，在不使用標識位的訊息型別中，標識位被作為保留位，如果收到無效的標志時，接收端必須關閉網路連接，PUBLISH 報文頭 Byte 1 中 bits 3-0 組成如下：

• DUP(bit 3)：發布訊息的副本，用來在保證訊息的可靠傳輸，如果設定為 0，表示這是客戶端或服務端第一次請求發送這個 PUBLISH 報文，如果設定為 1，表示這可能是一個早前報文請求的重發，則在下面的變長中增加 MessageId，并且需要回復確認，以保證訊息傳輸完成，但不能用于檢測訊息重復發送，

• QoS(bit 2 -bit 1)：發布訊息的服務質量，即：保證訊息傳遞的次數

  • ?00：最多一次，即：<=1

  • ?01：至少一次，即：>=1

  • ?10：一次，即：=1

  • ?11：預留

• RETAIN(bit 0)： 發布保留標識，表示服務器要保留這次推送的資訊，如果客戶端發給服務端的 PBULISH 報文的保留（RETAIN）標志被設定為 1，服務端必須存盤這個應用訊息和它的服務質量等級（QoS），以便它可以被分發給未來的主題名匹配的訂閱者，一個新的訂閱建立時，對每個匹配的主題名，如果存在最近保留的訊息，它必須被發送給這個訂閱者

固定報頭的第二個位元組開始是剩余長度欄位，是用于記錄剩余報文長度的，表示當前的訊息剩余的位元組數，包括可變報頭和有效載荷區域（如果存在），但剩余長度不包括用于編碼剩余長度欄位本身的位元組數，

剩余長度欄位使用一個變長度編碼方案，對小于 128 的值它使用單位元組編碼，而對于更大的數值則按下面的方式處理：每個位元組的低 7 位用于編碼資料長度，最高位（bit7）用于標識剩余長度欄位是否有更多的位元組，且按照大端模式進行編碼，因此每個位元組可以編碼 128 個數值和一個延續位，剩余長度欄位最大可擁有 4 個位元組，如下：
?

總的來說，MQTT 報文理論上可以發送最大 256 M 的報文，當然，這種情況是非常少的，

4.2 MQTT 可變頭

MQTT 資料包中包含一個可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間，可變頭的內容因資料包型別而不同，較常的應用是作為包的標識：

只有某些報文才擁有可變報頭，它在固定報頭和有效負載之間，可變報頭的內容會根據報文型別的不同而有所不同，但可變報頭的報文識別符號（Packet Identifier）欄位存在于在多個型別的報文里，而有一些報文又沒有報文識別符號欄位，具體見表格，報文識別符號結構具體見圖：

4.3 Payload 訊息體

Payload 訊息體位 MQTT 資料包的第三部分，包含 CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE 四種型別的訊息：

• CONNECT，訊息體內容主要是：客戶端的 ClientID、訂閱的 Topic、Message 以及用戶名和密碼，
• SUBSCRIBE，訊息體內容是一系列的要訂閱的主題以及 QoS，
• SUBACK，訊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，
• UNSUBSCRIBE，訊息體內容是要訂閱的主題，

參考文章

• MQTT–入門