MQTT－新一代物联网协议

最新推荐文章于 2025-06-01 18:26:09 发布

原创

最新推荐文章于 2025-06-01 18:26:09 发布 · 8.1k 阅读

5 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#物联网 #Raspberry Pi #tcp #socket

本文深入探讨MQTT协议，一种轻量级的物联网通信协议，用于机器间通信。介绍了MQTT的消息结构、固定头部、可变头部、消息体、连接标志和心跳机制。MQTT适用于低带宽、不可靠连接的场景，广泛应用于Android消息推送和物联网应用。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

一、MQTT - MQ Telemetry Transport

轻量级的 machine-to-machine 通信协议。
publish/subscribe模式。
基于TCP/IP。
支持QoS。
适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备、CPU内存资源紧张。
是一种比较不错的Android消息推送方案。
FacebookMessenger采用了MQTT。
MQTT有可能成为物联网的重要协议。

消息体

MessageType

CONNECT

TCP连接建立完毕后，Client向Server发出一个Request。

如果一段时间内接收不到Server的Response，则关闭socket，重新建立一个session连接。

如果一个ClientID已经与服务器连接，则持有同样ClientID的旧有连接必须由服务器关闭后，新建立才能建立。

CONNACK

Server发出Response响应。

0x00 Connection Accepted
0x01 Connection Refused: unacceptable protocol version
0x02 Connection Refused: identifier rejected
0x03 Connection Refused: server unavailable
0x04 Connection Refused: bad user name or password
0x05 Connection Refused: not authorized

PUBLISH 发布消息

Client/Servier均可以进行PUBLISH。

publish message 应该包含一个TopicName(Subject/Channel)，即订阅关键词。

关于Topic通配符

/：用来表示层次，比如a/b，a/b/c。

#：表示匹配>=0个层次，比如a/#就匹配a/，a/b，a/b/c。

单独的一个#表示匹配所有。

不允许 a#和a/#/c。

+：表示匹配一个层次，例如a/+匹配a/b，a/c，不匹配a/b/c。

单独的一个+是允许的，a+不允许，a/+/b不允许

PUBACK 发布消息后的确认

QoS=1时，Server向Client发布该确认（Client收到确认后删除），订阅者向Server发布确认。

PUBREC / PUBREL / PUBCOMP

QoS=2时

1. Server->Client发布PUBREC（已收到）；

2. Client->Server发布PUBREL（已释放）；

3. Server->Client发布PUBCOMP（已完成），Client删除msg；

订阅者也会向Server发布类似过程确认。

PINGREQ / PINGRES 心跳

Client有责任发送KeepAliveTime时长告诉给Server。在一个时长内，发送PINGREQ，Server发送PINGRES确认。

Server在1.5个时长内未收到PINGREQ，就断开连接。

Client在1个时长内未收到PINGRES，断开连接。

一般来说，时长设置为几个分钟。最大18hours，0表示一直未断开。

QoS

QoS=0：最多一次，有可能重复或丢失。

QoS=1：至少一次，有可能重复。

Client[Qos=1,DUP=0/*重复次数*/,MessageId=x] --->PUBLISH--> Server收到后，存储Message，发布，删除，向Client回发PUBACK

Client收到PUBACK后，删除Message；如果未收到PUBACK，设置DUP++，重新发送，Server端重新发布，所以有可能重复发送消息。

QoS=2：只有一次，确保消息只到达一次（用于比较严格的计费系统）。

Clean Session

如果为false(flag=0)，Client断开连接后，Server应该保存Client的订阅信息。

如果为true(flag=1)，表示Server应该立刻丢弃任何会话状态信息。

二、协议初解

先说一下整个协议的构造，整体上协议可拆分为：

固定头部+可变头部+消息体

协议说白了就是对于双方通信的一个约定，比如传过来一段字符流，第1个字节表示什么，第2个字节表示什么。。。。一个约定。

所以在固定头部的构造如下：

1、MessageType(0和15保留，共占4位)

public $operations=array(
         "MQTT_CONNECT"=>1,//请求连接
         "MQTT_CONNACK"=>2,//请求应答
         "MQTT_PUBLISH"=>3,//发布消息
         "MQTT_PUBACK"=>4,//发布应答
         "MQTT_PUBREC"=>5,//发布已接收，保证传递1
         "MQTT_PUBREL"=>6,//发布释放，保证传递2
         "MQTT_PUBCOMP"=>7,//发布完成，保证传递3
         "MQTT_SUBSCRIBE"=>8,//订阅请求
         "MQTT_SUBACK"=>9,//订阅应答
         "MQTT_UNSUBSCRIBE"=>10,//取消订阅
         "MQTT_UNSUBACK"=>11,//取消订阅应答
         "MQTT_PINGREQ"=>12,//ping请求
         "MQTT_PINGRESP"=>13,//ping响应
         "MQTT_DISCONNECT"=>14//断开连接
        );

2、DUP flag

其是用来在保证消息传输可靠的，如果设置为1，则在下面的变长头部里多加MessageId,并需要回复确认，保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。

3、Qos

主要用于PUBLISH（发布态）消息的，保证消息传递的次数。

00表示最多一次即<=1

01表示至少一次即>=1

10表示一次，即==1

11保留后用

4、Retain

主要用于PUBLISH(发布态)的消息，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。如果不设那么推送至当前订阅的就释放了。

5、固定头部的byte 2

是用来保存接下去的变长头部+消息体的总大小的。

但是不是并不是直接保存的，同样也是可以扩展的，其机制是，前7位用于保存长度，后一部用做标识。

我举个例了，即如果计算出后面的大小为0<length<=127的，正常保存

如果是127<length<16383的，则需要二个字节保存了，将第一个字节的最大的一位置1,表示未完。然后第二个字节继续存。

拿130来说，第一个字节存10000011,第二个字节存000000001，也就是0x83,0x01,把两个字节连起来看，第二个字节权重从2的8次开始。

同起可以加第3个字节，最多可以加至第4个字节。故MQTT协议最多可以实现268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)将近256M的数据。可谓能伸能缩。

可变头部

这个是可变头部的全貌。

1、首先最上面的8个字节是Protocol Name(编码名)，UTF编码的字符“MQIsdp”，头两个是编码名提长为6。

这里多说一些，接下去的协议多采用这种方式组合，即头两个字节表示下一部分的长，然后后面跟上内容。这里头两个字节长为6，下面跟6个字符“MQIsdp”。

2、Protocol Version，协议版本号，v3 也是固定的。

3、Connect Flag，连接标识，有点像固定头部的。8位分别代表不同的标志。第1个字节保留。

Clean Session,Will flag，Will Qos, Will Retain都是相对于CONNECT消息来说的。

Clean Session:0表示如果订阅的客户机断线了，那么要保存其要推送的消息，如果其重新连接时，则将这些消息推送。

1表示消除，表示客户机是第一次连接，消息所以以前的连接信息。

Will Flag，表示如果客户机在不是在发送DISCONNECT消息中断，比如IO错误等，将些置为1,要求重传。并且下且的WillQos和WillRetain也要设置，消息体中的Topic和MessageID也要设置，就是表示发生了错误，要重传。

Will Qos，在CONNECT非正常情况下设置，一般如果标识了WillFlag，那么这个位置也要标识。

Will RETAIN：同样在CONNECT中，如果标识了WillFlag,那么些位也一定要标识

usename flag和passwordflag，用来标识是否在消息体中传递用户和密码，只有标识了，消息体中的用户名和密码才用效，只标记密码而不标记用户名是不合法的。

4、Keep Alive，表示响应时间，如果这个时间内，连接或发送操作未完成，则断开tcp连接，表示离线。

5、Connect Return Code即通常于CONNACK消息中，表示返回的连接情况，我可以通过此检验连接情况。

6、Topic Name，订阅消息标识，MQTT是基于订阅/发布的消息，那么这个就是消息订阅的标识，像新闻客户端里的订阅不同的栏目一样。用于区别消息的推送类别。

主要用于PUBLISH和SUBSCRIBE中。最大可支持32767个字符，即4个字节。

消息体（PayLoad）

只有3种消息有消息体CONNECT，SUBSCRIBE，SUBACK

CONNECT主要是客户机的ClientID，订阅的Topic和Message以及用户名和密码，其于变长头部中的will是对应的。

SUBSCRIBE是包含了一系列的要订阅的主题以及QOS。

SUBACK是用服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QOS进行确认和回复。

而PUBLISH是消息体中则保存推送的消息，以二进制形式，当然这里的编辑可自定义。

7、Message Identifier

包含于PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK.

其为16位字符表示，用于在Qos为1或2时标识Message的，保证Message传输的可靠性。

至于具体的消息例子，我们在后面的代码中慢慢体现。

三、MQTT协议笔记之头部信息

前言

MQTT（Message Queue Telemetry Transport）,遥测传输协议，提供订阅/发布模式，更为简约、轻量，易于使用，针对受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定），可以简单概括为物联网打造，官方总结特点如下：

1.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。
2. 对负载内容屏蔽的消息传输。
3. 使用 TCP/IP 提供网络连接。
4. 有三种消息发布服务质量：
    “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。
5. 小型传输，开销很小（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。
6. 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

MQTT 3.1协议在线版本： http://public.dhe.ibm.com/software/dw/webservices/ws-mqtt/mqtt-v3r1.html

官方下载地址： http://public.dhe.ibm.com/software/dw/webservices/ws-mqtt/MQTT_V3.1_Protocol_Specific.pdf

PDF版本，42页，不算多。

另外，目前MQTT大家都用在了手机推送，可能还有很多的使用方式，有待进一步的探索。

协议方面，以前曾简单实现过一点HTTP协议，基于HTTP上构建若干种通信管道的socket.io协议，不过socket.io 0.9版本的协议才两三页而已。面对领域不同，自然解决的方式也不一样。

阅读完毕MQTT协议，有一个想法，其实可以基于MQTT协议，打造更加私有、精简（协议一些地方，略显多余）的传输协议，比如一个字节的传输开销。有时间，会详细说一下。

固定头部

固定头部，使用两个字节，共16位：

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
byte 1	Message Type				DUP flag	QoS level		RETAIN
byte 2	Remaining Length

第一个字节(byte 1)

消息类型(4-7)，使用4位二进制表示，可代表16种消息类型：

Mnemonic	Enumeration	Description
Reserved	0	Reserved
CONNECT	1	Client request to connect to Server
CONNACK	2	Connect Acknowledgment
PUBLISH	3	Publish message
PUBACK	4	Publish Acknowledgment
PUBREC	5	Publish Received (assured delivery part 1)
PUBREL	6	Publish Release (assured delivery part 2)
PUBCOMP	7	Publish Complete (assured delivery part 3)
SUBSCRIBE	8	Client Subscribe request
SUBACK	9	Subscribe Acknowledgment
UNSUBSCRIBE	10	Client Unsubscribe request
UNSUBACK