MQTT协议

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已于 2024-05-23 14:22:03 修改

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文章标签：网络协议 stm32

于 2024-05-23 14:14:19 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/djenekd/article/details/139134121

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PS：鉴于本人最近再写毕设初稿，老师强调要写清楚MQTT协议，特留下本文，为正在或未来即将淋雨的兄弟们撑把伞，有不足或写错的问题或错误欢迎指正。

MQTT是一个客户端服务端架构的发布/订阅模式的消息传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，易于实现。这些特点使得它对很多场是很好的选择，特别是对于受限的环境如机器与机器的通信（M2M）和物联网网环境（IoT)。

MQTT最开始是为了卫星通讯而设计，所以其设计是专门针对低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计的，这些特点是MQTT协议的核心特点。目前，MQTT协议已经从嵌入式系统应用拓展到开放的物联网（IoT）领域，有了更广阔的应用领域。

在网络通讯里，从电脑a到电脑b，我们一般会用http协议。MQTT是一种比http更简单的顶层协议，在MQTT组成的协议中，网络一般为中心分布型，所有设备节点既可能是发布者，也可能是订阅者，他们都会连在中心服务器上。

在MQTT协议中包括三个东西：发布者(Publisher)，订阅者(Subscriber)和服务器(Broker)。这三者也可简单分为客户端和服务端。

客户端包括发布者和订阅者，它们一般都是手机，电脑或者其他物联网设备等终端。订阅者，终端发出信息，将消息发到服务器，服务器再将消息以订阅的方式转发给订阅者。

服务端，一般是云服务器。MQTT服务端通常是一台服务器。它是MQTT信息传输的枢纽，负责将MQTT客户端发送来的信息传递给MQTT客户端。MQTT服务端还负责管理MQTT客户端。确保客户端之间的通讯顺畅，保证MQTT消息得以正确接收和准确投递。构成以服务器为中心的网络。这就是MQTT的通讯模型。下图所示为MQTT的通讯示意图。

所有网络协议的根本都是实现不同设备之间的点对点通信。http协议想实现点对点通信，如发布者想把消息发给订阅者，首先需要知道订阅者的IP，通过IP二者才能进行通讯。而MQTT协议是一种基于TCP/IP协议的一种应用层协议，通过主题（topic）实现二者的连接。主题就是字符串，发布者发布了一个字符串，而订阅者订阅了同名的字符串，这时二者间就形成了连接。通过这种方式，通信的双方不需要知道对方是谁就可以进行通讯，极大地简化了通讯的过程。

发布者将需要发送的内容放在消息中发出，消息中蕴含的内容叫负载(Payload)，负载一般也是字符串，发布者将消息发布后，订阅者只需要订阅该主题就能获取消息。

MQTT协议的客户端和服务端在进行通讯前需要先进行连接。首先MQTT客户端将会向服务端发送连接请求。该请求实际上是一个包含有连接请求信息的数据包（也叫报文），这个数据包的官方名称为CONNECT。在MQTT服务端收到客户端连接请求后，会向客户端发送连接确认。同样的，该确认也是一个数据包，叫做CONNACK。

MQTT客户端要想连接服务端，首先要向服务端发送CONNECT报文。如果此CONNECT报文的格式或内容不符合MQTT规范，则服务器会拒绝客户端的连接请求。下图为CONNECT的内容格式。

在CONNECT数据包中，clientId存放的是该客户端的名字，同一个服务器不能连接重名的节点；cleanSession的意思是清除会话。在MQTT协议使用的过程中，服务器会保存一些重要的消息，此时cleanSession的值为flase，即保存数据，ture代表清除数据。keepAlive的意思是心跳时间间隔，代表间隔多久确认一次连接状态，上图的例子代表的是每隔60s确认一次。

上述的三个参数是CONNECT数据包必须包含的，其余的参数都是可以加入也可以去掉的。

当服务器收到连接请求后，会向客户端发CONNACK数据包作为回应。其具体结构如下图所示。

sessionPresent的意思是当前会话，如果服务器中有要发回客户端但是没有发出的消息时，sessionPresent就会置为ture。

returnCode在这里是连接返回码的意思，其中0代表连接成功，其余都是连接被服务器拒绝。1代表不支持客户端的MQTT协议版本；2为不支持客户端标识符的编码，可能是客户端标识符编码是UTF-8；3是服务端不可用；4为用户名或密码无效；5是客户端未被授权连接到此服务端。

当客户端和服务端的连接完成之后，就可以进行正常通讯了。首先由发布者发出消息，其结构如下：

packetId就是报文标识符，是MQTT自动添加的，方便MQTT对报文进行管理，一般很少用到；topicName就是主题名，是字符串。订阅者通过订阅这个字符串来接收相应的数据；retainFlag表示保持标志位，如果服务器接收到客户端的数据时，其值如果为ture，便会将数据保存；dupFlag表示重复标志位，当其为ture时，会将服务器存储的值重复发给客户端。payload作为负载内容，是消息中需要传达的内容。

QoS表示消息质量，MQTT消息质量有三个等级，QoS 0，QoS 1和 QoS 2。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。消息可能会丢失；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。

订阅者订阅主题也需要发送SUBSCRIBE报文，其包括订阅主题名，qos，报文标识符和返回码returnCode。其中主题名可以有多个，对应订阅者可以订阅多个主题。returnCode有四个值，0、1、2分别对应QoS的三个等级，还有128表示订阅失败。

同时订阅者也需要返回服务器一个返回数据包SUBACK，包括订阅返回码和报文标识符。