物联网通信协议—

MQTT协议概念

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。

1、MQTT协议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。

2、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。
对负载内容屏蔽的消息传输。
使用 TCP/IP 提供网络连接。

物联网（IoT）设备要运作，就必须连接到互联网，设备才能相互协作，以及与后端服务协同工作。而互联网的基础网络协议是 TCP/IP，MQTT 协议是基于 TCP/IP 协议栈而构建的，因此它已经慢慢的已经成为了 IoT 通讯的标准。

3、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。

4、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。

Publish/Subscribe(发布订阅)模式：

客户端只需要订阅这个主题，当有其他客户端向这个服务端发布消息时，这个客户端就可以收到这个消息。

请求响应模式：
客户端向服务端发送请求，服务端收到请求后，向客户端返回响应

MQTT协议特点

简单易实现
支持Qos(服务质量)
报文小
MQTT协议构建于TCP/IP协议之上

MQTT应用领域

物联网M2M通信，物联网大数据采集
Android消息推送，WEB消息推送
移动即时消息，例如Facebook Messenger
智能硬件、智能家具、智能电器
车联网通信，电动车站桩采集
智慧城市、远程医疗、远程教育
电力、石油与能源等行业市场

MQTT基本概念

应用消息 Application Message

MQTT协议通过网络传输应用数据。应用消息通过MQTT传输时，它们有关联的服务质量（QoS）和主题（Topic）。

客户端Client

一个使用 MQTT 协议的设备、应用程序等，它总是建立到服务器的网络连接。

可以发布信息，其他客户端可以订阅该信息
订阅其它客户端发布的消息
退订或删除应用程序的消息
断开与服务器连接

服务端 Server

MQTT 服务器以称为 Broker（消息代理），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

接受来自客户端的网络连接
接受客户端发布的应用信息
处理来自客户端的订阅和退订请求
向订阅的客户转发应用程序消息

（服务端不是数据的终点，它只是数据的中转站）（一般情况下，云平台==服务端）

订阅 Subscription

订阅包含一个主题过滤器（Topic Filter）和一个最大的服务质量（QoS）等级。
订阅与单个会话（Session）关联。
会话可以包含多于一个的订阅。
会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

主题名 Topic

Name附加在应用消息上的一个标签，服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

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。

要订阅的主题。一个主题可以有多个级别，级别之间用斜杠字符分隔。例如，/world 和 emq/emqtt/emqx 是有效的主题。
订阅者的Topic name支持通配符#和+ ：

#支持一个主题内任意级别话题
+只匹配一个主题级别的通配符

客户端成功订阅某个主题后，代理会返回一条 SUBACK 消息，其中包含一个或多个 returnCode 参数

主题过滤器 Topic Filter

订阅中包含的一个表达式，用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符。

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。

控制报文 MQTT Control Packet

通过网络连接发送的信息数据包。MQTT规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH报文）用于传输应用消息。

清理会话 Clean Session

当MTT客户端接入MTT服务端时，选择是否继续之前的会话。
如果不清理会话，MTT服务端会在之前交互的基础上，继续交互如果清理会话，MTT服务端必须新建一个全新的会话。

负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容

MQTT消息质量

MQTT消息质量有三个等级，QoS 0，QoS 1和 QoS 2。

服务质量，标志表明此主题范围内的消息传送到客户端所需的一致程度。

值 0：不可靠，消息基本上仅传送一次，如果当时客户端不可用，则会丢失该消息。
值 1：消息应传送至少 1 次。
值 2：消息仅传送一次。

QoS 0：最多分发一次。
消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络，协议里没有定义应答和重试，消息要么只会到达服务端一次，要么根本没有到达。

QoS 1：至少分发一次。
服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或发送设备异常，或者指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。

QoS 2：只分发一次。
这是最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。

eg.
目前流行的共享单车智能锁，智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器，发送单车的当前位置，如果服务器没收到也没关系，反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置，找到单车后需要进行解锁，这时候可以使用QoS level 1质量消息，手机App不断的发送解锁消息给单车锁，确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后，需要提交付款表单，可以使用QoS level 2质量消息，这样确保只传递一次数据，否则用户就会多付钱了。

MQTT的消息类型

MQTT的消息类型（Message Type）

固定报文头中的第一个字节包含连接标志（Connect Flags），连接标志用来区分MQTT的消息类型。

MQTT协议拥有14种不同的消息类型（如表）

可简单分为连接及终止、发布和订阅、QoS 2消息的机制以及各种确认ACK。至于每一个消息类型会携带什么内容。

异步发布/订阅实现

发布/订阅模式解耦了发布消息的客户（发布者）与订阅消息的客户（订阅者）之间的关系，这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。
这个模式有以下好处：
发布者与订阅者只需要知道同一个消息代理即可
发布者和订阅者不需要直接交互
发布者和订阅者不需要同时在线

MQTT基本原理和实现

MQTT 协议提供一对多的消息发布，可以解除应用程序耦合，信息冗余小。

该协议需要客户端和服务端，
而协议中主要有三种身份：发布者（Publisher）、代理（Broker，服务器）、订阅者（Subscriber）。

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，而消息发布者可以同时是订阅者，实现了生产者与消费者的脱耦。

使用 TCP/IP 提供网络连接，提供有序、无损、双向连接；

MQTT 是一种连接协议，它指定了如何组织数据字节并通过 TCP/IP网络传输它们。设备联网，也需要连接到互联网中，在大万维的世界中，TCP 如同汽车，有轮子就能用来运输数据，MQTT就像是交通规则。在网络模型中，TCP是传输层协议，而 MQTT是在应用层，在 TCP 的上层，因此MQTT也是基于这个而构建的，提高了可靠性。

对负载内容屏蔽的消息传输；

可以对消息订阅者所接受到的内容有所屏蔽。

具体有三种消息发布的服务质量：

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。

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。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

小型传输，开销小，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；

整体上协议可拆分为：固定头部+可变头部+消息体，这就是为什么说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"。

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。