1.1概要

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息列队遥测传输）是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和制动器的通信协议

物联网（IoT）设备必须连接互联网。通过连接到互联网，设备就能相互协作，以及与后端服务协同工作。互联网的基础网络协议是TCP/IP。MQTT（消息队列遥测传输）是基于TCP/IP协议栈而构建的，已成为IoT通信的标准

由于规范很简单，非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景，比如：遥感数据，车联网，智能家居，智慧城市，医疗医护，智能农业。

1.2基本实现

MQTT协议要求基础传输层能够提供有序的、可靠的、双向传输的字节流，例如TCP/IP协议

客户端(Client): 使用MQTT的程序或设备，客户端通过网络连接到服务端

1.发布应用消息给其它相关的客户端

2.订阅以请求接受相关的应用消息

3.取消订阅以移除接受应用消息的请求

4.从服务端断开连接

服务端(Server/Broker): 一个程序或设备，作为发送消息客户端和订阅消息客户端之间的中介

1.接受来自客户端的网络连接

2.接受客户端发布的应用消息

3.处理客户端的订阅和取消订阅请求

4.转发应用消息给符合条件的客户端订阅

1.3设计原则

由于物联网的场景的特殊性，MQTT协议在设计和实现使遵循以下原则：

MQTT 必须简单容易实现

2.必须支持 QoS(设备网络环境复杂)

3.必须轻量且省带宽(IoT设备环境无法保证宽带)

4.发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递

5.允许用户动态创建主题，零运维成本

6.支持连续的会话控制

7.理解客户端计算能力可能很低

8.提供服务质量管理

9.假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性

1.4订阅模式

发布订阅模式是传统 Client/Server 模式的一种解耦方案。发布者通过 Broker 与消费者之间通信，Broker 的作用是将收到的消息通过某种过滤规则，正确地发送给消费者。在 MQTT 协议里，上面提到的过滤规则是 Topic。比如：所有发布到 news 这个 Topic 的消息，都会被 Broker 转发给已经订阅了 news 的订阅者

上图中订阅者预先订阅了 news，然后发布者向 Broker 发布了一条消息 "some msg" 并指定发布到 news 主题，Broker 通过 Topic 匹配，决定将这条消息转发给订阅者。

MQTT 的 Topic 有层级结构，并且支持通配符 + 和 #:

+是匹配单层的通配符。比如 news/+ 可以匹配 news/sports，news/+/basketball 可匹配到 news/sports/basketball。
#是一到多层的通配符。比如 news/# 可以匹配 news、 news/sports、news/sports/basketball 以及 news/sports/basketball/x 等等。

MQTT 的主题是不要预先创建的，发布者发送消息到某个主题、或者订阅者订阅某个主题的时候，Broker 就会自动创建这个主题

二、MQTT控制报文结构

MQTT协议报文由三部分组成：固定报文头，可变报文头，有效荷载，报文使用大端序，文本字段编码遵循UTF-8。具体报文结构详见链接

三、MQTT QoS（服务质量）介绍

MQTT 协议中规定了消息服务质量（Quality of Service），它保证了在不同的网络环境下消息传递的可靠性，QoS 的设计是 MQTT 协议里的重点。作为专为物联网场景设计的协议，MQTT 的运行场景不仅仅是 PC，而是更广泛的窄带宽网络和低功耗设备，如果能在协议层解决传输质量的问题，将为物联网应用的开发提供极大便利。

1、MQTT QoS 等级

MQTT 设计了 3 个 QoS 等级。

QoS 0：消息最多传递一次，如果当时客户端不可用，则会丢失该消息。
QoS 1：消息传递至少 1 次。
QoS 2：消息仅传送一次。

QoS 0 是一种 "fire and forget" 的消息发送模式：Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 发送一条消息之后，就不再关心它有没有发送到对方，也不设置任何重发机制。

QoS 1 包含了简单的重发机制，Sender 发送消息之后等待接收者的 ACK，如果没收到 ACK 则重新发送消息。这种模式能保证消息至少能到达一次，但无法保证消息重复。

QoS 2 设计了重发和重复消息发现机制，保证消息到达对方并且严格只到达一次。

2、工作原理

QoS 0 - 最多分发一次

当 QoS 为 0 时，消息的分发依赖于底层网络的能力。发布者只会发布一次消息，接收者不会应答消息，发布者也不会储存和重发消息。消息在这个等级下具有最高的传输效率，但可能送达一次也可能根本没送达

Qos 1 - 至少分发一次

当 QoS 为 1 时，可以保证消息至少送达一次。MQTT 通过简单的 ACK 机制来保证 QoS 1。发布者会发布消息，并等待接收者的 PUBACK 报文的应答，如果在规定的时间内没有收到 PUBACK 的应答，发布者会将消息的 DUP 置为 1 并重发消息。接收者接收到 QoS 为 1 的消息时应该回应 PUBACK 报文，接收者可能会多次接受同一个消息，无论 DUP 标志如何，接收者都会将收到的消息当作一个新的消息并发送 PUBACK 报文应答

QoS 2 - 只分发一次

当 QoS 为 2 时，发布者和订阅者通过两次会话来保证消息只被传递一次，这是最高等级的服务质量，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。

发布者发布 QoS 为 2 的消息之后，会将发布的消息储存起来并等待接收者回复 PUBREC 的消息，发送者收到 PUBREC 消息后，它就可以安全丢弃掉之前的发布消息，因为它已经知道接收者成功收到了消息。发布者会保存 PUBREC 消息并应答一个 PUBREL，等待接收者回复 PUBCOMP 消息，当发送者收到 PUBCOMP 消息之后会清空之前所保存的状态。

当接收者接收到一条 QoS 为 2 的 PUBLISH 消息时，他会处理此消息并返回一条 PUBREC 进行应答。当接收者收到 PUBREL 消息之后，它会丢弃掉所有已保存的状态，并回复 PUBCOMP。

无论在传输过程中何时出现丢包，发送端都负责重发上一条消息。不管发送端是 Publisher 还是 Broker，都是如此。因此，接收端也需要对每一条命令消息都进行应答。

3、QoS 在发布与订阅中的区别

MQTT 发布与订阅操作中的 QoS 代表了不同的含义，发布时的 QoS 表示消息发送到服务端时使用的 QoS，订阅时的 QoS 表示服务端向自己转发消息时可以使用的最大 QoS。

当客户端 A 的发布 QoS 大于客户端 B 的订阅 QoS 时，服务端向客户端 B 转发消息时使用的 QoS 为客户端 B 的订阅 QoS。
当客户端 A 的发布 QoS 小于客户端 B 的订阅 QoS 时，服务端向客户端 B 转发消息时使用的 QoS 为客户端 A 的发布 QoS。

MQTT简介