MQTT通信框架C++编程实战，基于Mosquitto库实现

一、MQTT通信协议简介

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 消息队列遥测传输，是一种轻量级、基于发布/订阅架构的通信协议，它专为低带宽、高延迟或传输不稳定的网络通信场景而设计，被广泛应用于物联网、移动设备和嵌入式系统，从而实现设备间的异步消息传输。

1.MQTT协议的核心组件

发布者(Publisher)：通过主题(Topic)发布消息的设备。

订阅者(Subscriber)：订阅特定主题并接收消息的设备。

代理服务(Broker)：代理服务器，负责消息的路由、存储和传递。

2.MQTT协议的Qos机制

Qos0：消息最多传递一次

工作流程：

Publisher发送消息后立即丢弃记录，Subscriber接收消息时不发送确认。

特点：

Qos0策略单向发送消息，无重传和消息确认，延迟最低，带宽占用最小，但消息可能丢失。

Qos1：消息至少传递一次

工作流程：

Publisher发送消息并存储副本。

Subscriber接收到消息后，发送PUBACK确认。

如果Publisher未收到PUBACK，它会重传消息。

特点：

Qos1策略的流程可能重复多次，直至成功或超时，容易产生重复的消息。

Qos2：消息正好一次传递

状态码：

PUBREC(Received Acknowledgement)：接收方已存储消息。

PUBREL(Release Message)：发送方请求释放存储。

PUBCOMP(Complete Acknowledgement)：完成确认。

工作流程：

Publisher发送PUBLISH消息：Publisher发送消息并存储状态。

Subscriber回复PUBREC确认：Subscriber接收消息后，发送PUBREC，表示消息已收到但未处理完毕。

Publisher发送PUBREL释放：Publisher收到PUBREC后，发送PUBREL，指示可以释放消息状态。

Subscriber回复PUBCOMP完成：Subscriber处理完消息后，发送PUBCOMP，至此双方都确认消息已可靠投递。

特点：

Qos2策略网络开销大，消息延迟大，内部实现复杂， 适用于对数据一致性要求极高的场景。

*Qos实现细节：

QoS 1/2中每个消息携带唯一Message ID，用于跟踪消息状态。

执行QoS 1/2时，Broker需缓存未确认消息直至超时或完成交互。

3.MQTT协议的通信流程

(1).建立连接(Connection Establishment)

发布者Publisher或订阅者Subscriber向MQTT服务Broker发送CONNECT报文，以此来发起连接。该报文包含客户端ID、用户名、密码、心跳间隔等参数。

Broker收到CONNECT报文后，开始验证客户端身份和权限，如果验证通过，则返回对应的ACK报文，用来表示连接确认，比如返回0表示连接成功，返回非0表示连接失败。

(2).订阅主题(Subscription)

订阅者Subscriber向Broker发送SUBSCRIBE订阅报文，订阅报文中包含一个或多个要订阅的主题(Topic)以及对应的QoS级别。Broker处理订阅请求，如果订阅成功，则返回SUBACK报文，用来表示订阅确认。

(3).消息发布(Publishing)

发布者Publisher向Broker发送PUBLISH报文，报文中包含主题(Topic)、主题对应的消息内容、QoS级别、消息ID等。

Broker接收到PUBLISH报文后，根据主题匹配所有已经订阅了该主题的订阅者Subscriber，并将主题对应的消息转发给订阅了该主题的订阅者Subscriber。

(4).消息分发(Message Delivery)

消息分发过程依赖Qos策略等级，比如：

QoS=0：Broker直接将消息发送给订阅者，不等待确认，也不重发。

Qos=