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本文轉載自微信公眾號「小麥大叔」，作者菜刀和小麥。轉載本文請聯(lián)系小麥大叔公眾號。

大家好，我是小麥，最近做了一個物聯(lián)網(wǎng)的項目，順便總結一下MQTT協(xié)議。大家都知道，MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中很常用，如果你對此還不是很了解，相信這篇文章可以帶你入門。

• mqtt協(xié)議
• 1 MQTT協(xié)議特點
  • 發(fā)布和訂閱
  • QoS(Quality of Service levels)
• 2 MQTT 數(shù)據(jù)包結構
  • 2.1 MQTT固定頭
  • 2.2 MQTT可變頭 / Variable header
  • 2.3 Payload消息體
• 3 環(huán)境搭建
  • 3.1 MQTT服務器搭建
  • 3.2 MQTT Client
• 4 總結

mqtt協(xié)議

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議)，是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通訊協(xié)議，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。

MQTT最大優(yōu)點在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。

作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

1、MQTT協(xié)議特點

MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。

MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機器與機器(M2M)通信和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

其在，通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。

MQTT協(xié)議當前版本為，2014年發(fā)布的MQTT v3.1.1。除標準版外，還有一個簡化版MQTT-SN，該協(xié)議主要針對嵌入式設備，這些設備一般工作于TCP/IP網(wǎng)絡，如：ZigBee。

MQTT 與 HTTP 一樣，MQTT 運行在傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP) 堆棧之上。

MQTT OSI

發(fā)布和訂閱

MQTT使用的發(fā)布/訂閱消息模式，它提供了一對多的消息分發(fā)機制，從而實現(xiàn)與應用程序的解耦。

這是一種消息傳遞模式，消息不是直接從發(fā)送器發(fā)送到接收器(即點對點)，而是由MQTT server(或稱為 MQTT Broker)分發(fā)的。

MQTT 服務器是發(fā)布-訂閱架構的核心。

它可以非常簡單地在Raspberry Pi或NAS等單板計算機上實現(xiàn)，當然也可以在大型機或 Internet 服務器上實現(xiàn)。

服務器分發(fā)消息，因此必須是發(fā)布者，但絕不是訂閱者!

客戶端可以發(fā)布消息(發(fā)送方)、訂閱消息(接收方)或兩者兼而有之。

客戶端(也稱為節(jié)點)是一種智能設備，如微控制器或具有 TCP/IP 堆棧和實現(xiàn) MQTT 協(xié)議的軟件的計算機。

消息在允許過濾的主題下發(fā)布。主題是分層劃分的 UTF-8 字符串。不同的主題級別用斜杠/作為分隔符號。

我們來看看下面的設置。

• 光伏發(fā)電站是發(fā)布者(Publisher)。
• 主要主題(Topic)級別是"PV"，這個工廠發(fā)布兩個子級別"sunshine"和"data";
• "PV/sunshine"是一個布爾值(true/fault，也可以是 1/0)，充電站需要它來知道是否應該裝載電動汽車(僅在陽光普照時 :))。
• 充電站(EVSE)是訂閱者，訂閱"PV/sunshine"從服務器獲取信息。
• "PV/data" 另一方面，以 kW 為單位傳輸工廠產生的瞬時功率，并且該主題可以例如通過計算機或平板電腦訂閱，以生成一天內傳輸功率的圖表。

這就是一個簡單的MQTT的應用場景，具體如下圖所示;

MQTT 發(fā)布和訂閱

QoS(Quality of Service levels)

服務質量是 MQTT 的一個重要特性。當我們使用 TCP/IP 時，連接已經(jīng)在一定程度上受到保護。但是在無線網(wǎng)絡中，中斷和干擾很頻繁，MQTT 在這里幫助避免信息丟失及其服務質量水平。這些級別在發(fā)布時使用。如果客戶端發(fā)布到 MQTT 服務器，則客戶端將是發(fā)送者，MQTT 服務器將是接收者。當MQTT服務器向客戶端發(fā)布消息時，服務器是發(fā)送者，客戶端是接收者。

QoS 0

這一級別會發(fā)生消息丟失或重復，消息發(fā)布依賴于底層TCP/IP網(wǎng)絡。即：<=1

QoS 1

QoS 1 承諾消息將至少傳送一次給訂閱者。

QoS 2

使用 QoS 2，我們保證消息僅傳送到目的地一次。為此，帶有唯一消息 ID 的消息會存儲兩次，首先來自發(fā)送者，然后是接收者。QoS 級別 2 在網(wǎng)絡中具有最高的開銷，因為在發(fā)送方和接收方之間需要兩個流。

2、MQTT 數(shù)據(jù)包結構

• 固定頭(Fixed header)，存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，表示數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組類標識;
• 可變頭(Variable header)，存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容;
• 消息體(Payload)，存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，表示客戶端收到的具體內容;

整體MQTT的消息格式如下圖所示;

2.1 MQTT固定頭

固定頭存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，其結構如下：

下面簡單分析一下固定頭的消息格式;

MQTT消息類型 / message type

**位置：**byte 1, bits 7-4。

4位的無符號值，類型如下：

標識位 / DUP

**位置：**byte 1, bits 3-0。

在不使用標識位的消息類型中，標識位被作為保留位。如果收到無效的標志時，接收端必須關閉網(wǎng)絡連接：

• DUP：發(fā)布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設置為

1，則在下面的變長中增加MessageId，并且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測消息重復發(fā)送。

• QoS發(fā)布消息的服務質量(前面已經(jīng)做過介紹)，即：保證消息傳遞的次數(shù)
  • 00：最多一次，即：<=1
  • 01：至少一次，即：>=1
  • 10：一次，即：=1
  • 11：預留
• RETAIN：發(fā)布保留標識，表示服務器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現(xiàn)，就把這消息推送給它，如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。

剩余長度(Remaining Length)

位置：byte 1。

固定頭的第二字節(jié)用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節(jié)是可以擴展，其保存機制，前7位用于保存長度，后一部用做標識。當最后一位為 1時，表示長度不足，需要使用二個字節(jié)繼續(xù)保存。例如：計算出后面的大小為0

2.2 MQTT可變頭 / Variable header

MQTT數(shù)據(jù)包中包含一個可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間?？勺冾^的內容因數(shù)據(jù)包類型而不同，較常的應用是做為包的標識：

很多類型數(shù)據(jù)包中都包括一個2字節(jié)的數(shù)據(jù)包標識字段，這些類型的包有：

PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、

SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

2.3 Payload消息體

Payload消息體是MQTT數(shù)據(jù)包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息 有消息體：

CONNECT，消息體內容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼

SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。

SUBACK，消息體內容是服務器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。

UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。

3、環(huán)境搭建

介紹完基礎理論部分，下面在Windows平臺上搭建一個簡單的MQTT應用，進行簡單的應用，整體架構如下圖所示;

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ScRucIVO-1625480723109)(架構圖.png)]

3.1 MQTT服務器搭建

目前MQTT代理的主流平臺有下面幾個：

• Mosquitto：https://mosquitto.org/
• VerneMQ：https://vernemq.com/
• EMQTT：http://emqtt.io/

本文將使用 Mosquitoo 進行測試，進入到安裝頁面，下載自己電腦的系統(tǒng)所適配的程序;

下載頁面

安裝成功之后，進入到安裝路徑下，找到mosquitto.exe;

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按住Shift，右鍵鼠標點擊空白處，然后打開Powershell，正常打開一個終端軟件即可;

• 輸入./mosquitto.exe -h 可以查看相應的幫助;
• 輸入./mosquitto.exe -p 10086，就開啟了MQTT服務，監(jiān)聽的地址是127.0.0.1，端口是10086;

具體如下圖所示;

3.2 MQTT Client

服務器搭建好了，下面就是開啟客戶端，進行發(fā)布和訂閱，這樣就可以傳輸相應的消息。

這里我使用的是自己編譯了一個QT mqtt client 程序，是基于Qt的官方庫進行編譯的，下面打開這個軟件，下一期簡單介紹一下如何完成這個客戶端，并設置好相應參數(shù)：

• 地址：127.0.0.1
• 端口：10086

然后訂閱主題，就可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)了，具體如下圖所示;

結合前面的圖片來看，整體的架構如下所示;

4、總結

本文簡單介紹了MQTT協(xié)議的工作原理，以及相應的協(xié)議格式，簡單介紹了協(xié)議的一些細節(jié)，具體舉出了相應的應用場景，作者水平和能力有限，文中難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。

本期就到此結束了，我是小麥，我們下期再見。