MQTT通讯协议详解【通俗易懂】

MQTT协议

MQTT模型

MQTT特点

MQTT服务质量

MQTT报文

MQTT消息类型表

参考文献

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MQTT协议

简单来说：MQTT是一个消息传输协议，不同的设备可以通过这个协议进行消息的稳定传输。

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。

MQTT作为一种轻量级、高效的通信协议，在物联网和各种低带宽、不稳定网络环境下扮演着重要的角色。它为设备之间的通信提供了简单、可靠的解决方案，用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。

MQTT模型

MQTT的运作模型中，有三种角色：发布者、服务器和订阅者，其中发布者和订阅者可以身份互换。

简单来说就是一个消息队列，但是MQTT的特点是某些情况并不会存储消息，例如：发布者A发布一个消息，如果没有订阅者，那么这个消息就丢失了。

在实际应用中，担任服务器的角色可以是一个小型的计算机（例如树莓派）或者是一个大型的Internet服务器都行。

MQTT特点

轻量级

MQTT协议设计简单轻巧，数据包头部较小，使其在低带宽、高延迟的网络环境中运行效率高，可以对比HTTP协议，HTTP协议的数据报头较大，就算是不携带任何的数据，都有一定字节的大小，但是MQTT的报头只有一个字节。

发布-订阅模式

MQTT采用发布者（Publisher）和订阅者（Subscriber）模式，发布者负责将消息发布到特定的主题（Topic），而订阅者可以选择订阅感兴趣的主题，接收与之相关的消息。这种模式使得设备之间可以异步通信，降低了耦合性，适用于多个设备之间的实时通信。发布者发布消息后，不需要等待订阅者的响应，从而提高了系统的响应性能。

可靠性

MQTT支持消息的持久性传输，确保消息的可靠性，这在物联网应用中非常重要，MQTT可以通过控制可靠性级别来确保消息传递的可靠性。

安全性

MQTT支持使用TLS/SSL进行加密通信，确保数据传输的安全性。此外，MQTT还支持用户名和密码进行认证，保护客户端和服务器之间的通信安全。

MQTT服务质量

MQTT有一个服务质量级别的概念，QoS（Quality of Service levels），这个概念能保证消息更可靠的传输，简单来说就是增加了消息确认机制。

1. QoS 0（最多一次，At most once）：

   这是最低的服务质量级别。在这种级别下，消息会被尽最大努力发送，但不会进行确认。发布者一次发布消息后，就不会知道消息是否已经到达订阅者，也不会知道是否有订阅者接收到消息。如果消息在传输过程中丢失或未能到达订阅者，发布者将不会得到任何通知，也不会有重发的机制。因此，这种级别适合对消息传递可靠性要求不高的场景，如传感器数据采集等。

2. QoS 1（至少一次，At least once）：

   在QoS 1级别下，消息的确保传递，发布者会收到一个确认（PUBACK），以表示消息已经到达代理服务器。如果代理服务器未能将消息传递给订阅者，它会重试直到成功传递，并且确保发布者收到确认。这样可以确保消息至少传递一次，但可能会导致重复传递，因为发布者可能会收到多个确认。QoS 1适用于一些要求消息传递至少一次的场景，但可以容忍一些重复传递的应用。

3. QoS 2（恰好一次，Exactly once）：

   QoS 2提供了最高的消息传递质量。在这种级别下，发布者会收到两个确认（PUBREC和PUBCOMP）。PUBREC表示消息已经到达代理服务器，PUBCOMP表示消息已经成功传递给订阅者。在这个级别下，确保消息只传递一次，并且没有重复传递。虽然QoS 2提供了最高的可靠性，但它也是最耗费资源的级别，因为需要多次的确认和处理。因此，QoS 2适用于对消息传递严格要求恰好一次的场景，如金融交易等。

MQTT报文

MQTT的报文分为三个部分，分别是固定报头、可变报头、有效负载（消息体），对应的英文是Fixed Header、Variable Header、Payload。可以联想HTTP协议，有请求协议、请求头、请求数据等等。

  

根据下图分析一下MQTT的三个组成部分，其中纵坐标代表的是字节数量、横坐标代表的是位数。

固定报头

固定报头（上图中第一行），分别由消息类型、DUP、可靠等级、RETAIN、剩余长度组成：

• 消息类型

  MQTT支持发送多种数据类型，这里用4位的无符号二进制数表示多种数据类型，4位二进制能表示十进制的16种（0-15）种消息类型，例如：0001代表十进制值为1的消息类型，表示：消息从客户端到服务器，并且是请求连接的消息。

• DUP

  标识位，发布消息的副本，如果设置为 1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。

• 可靠等级

  QoS发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数

  • 00：最多一次，即：<=1

  • 01：至少一次，即：>=1

  • 10：一次，即：=1

  • 11：预留

• RETAIN

  发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。

• Remain length

  它表示了整个报文剩余部分的长度（不包括固定报头的长度）。

  剩余长度字段使用了一种可变长度编码方式，可以占用1到4个字节。每个字节的最高位（bit 7）表示后续字节是否是剩余长度的一部分。如果最高位为1，表示后续字节也是剩余长度的一部分；如果最高位为0，则表示这是最后一个字节，不再是剩余长度的一部分。

可变报头

MQTT数据包中包含一个可变头，在固定报头和负载之间。它存储着各种不同类型消息的特定信息，它的内容和格式取决于消息的类型和功能。例如，在固定头中的消息类型是CONNECT（十进制为1的数据类型），可变报头会含客户端的标识符、是否清除会话、心跳超时等信息。

有效负载（消息体）

这是报文的第三部分，它包含了实际的应用数据。有效负载的内容和格式是由固定报文中的消息类型来决定的，它可以携带各种不同类型的数据，例如传感器数据、命令指令、文本消息等。MQTT中的每种消息类型在定义上都可以包含有效负载，但在实际使用中，并不是每个消息类型都携带有效负载。

以下列举出了，携带Payload的消息类型：

注意：虽然这些消息类型可以携带有效负载，但并不是每次使用时都必须包含有效负载。是否携带有效负载取决于具体的应用需求和消息传递的目的。

• PUBLISH（发布消息）消息：PUBLISH消息用于发布数据或信息到指定的主题（Topic）。它是MQTT中最常用的消息类型之一，可以携带有效负载，以传递实际的数据、信息或者命令。

• SUBSCRIBE（订阅主题）消息：SUBSCRIBE消息用于向MQTT代理服务器订阅特定的主题。它通常携带有效负载，指示订阅者要订阅的主题和对应的服务质量级别。

• SUBACK（订阅确认）消息：SUBACK消息用于确认订阅请求的结果。它通常携带有效负载，返回订阅主题和对应的服务质量级别。

• UNSUBSCRIBE（取消订阅）消息：UNSUBSCRIBE消息用于向MQTT代理服务器取消订阅特定的主题。它通常携带有效负载，指示订阅者要取消订阅的主题。

• PUBREC（发布接收）消息：PUBREC消息用于实现QoS级别为2的消息传递。它通常不携带有效负载，只是作为PUBLISH消息的确认，返回一个消息标识符。

• PUBREL（发布释放）消息：PUBREL消息用于实现QoS级别为2的消息传递。它通常不携带有效负载，只是作为PUBREC消息的确认，返回一个消息标识符。

• PUBCOMP（发布完成）消息：PUBCOMP消息用于实现QoS级别为2的消息传递。它通常不携带有效负载，只是作为PUBREL消息的确认，返回一个消息标识符。

MQTT消息类型表

下面是MQTT报文中，固定报头的消息类型对应表，方便查阅：

名称	值（十进制）	流方向	描述
Reserved	0	不可用	保留位
CONNECT	1	客户端到服务器	客户端请求连接到服务器
CONNACK	2	服务器到客户端	连接确认
PUBLISH	3	双向	发布消息
PUBACK	4	双向	发布确认
PUBREC	5	双向	发布收到（保证第1部分到达）
PUBREL	6	双向	发布释放（保证第2部分到达）
PUBCOMP	7	双向	发布完成（保证第3部分到达）
SUBSCRIBE	8	客户端到服务器	客户端请求订阅
SUBACK	9	服务器到客户端	订阅确认
UNSUBSCRIBE	10	客户端到服务器	请求取消订阅
UNSUBACK	11	服务器到客户端	取消订阅确认
PINGREQ	12	客户端到服务器	PING请求
PINGRESP	13	服务器到客户端	PING应答
DISCONNECT	14	客户端到服务器	中断连接
Reserved	15	不可用	保留位

参考文献

• MQTT 协议 3.1.1 中文版

• 小麦大叔：【 MQTT协议，终于有人讲清楚了】

• Chat-GPT