MQTT简介
MQTT，作为一种专为物联网（IoT）设备间通信而精心设计的发布/订阅协议，它摒弃了HTTP传统的请求/响应模式，转而采用了一种更为灵活的事件驱动机制。这种机制允许MQTT以推送的方式将消息直接传递给客户端，从而实现了实时性和效率的优化。 该架构的核心优势在于其解耦设计，它有效地将数据的生产者和消费者分离，消除了两者之间的直接依赖关系。这种解耦不仅增强了系统的灵活性和可维护性，还为实现高度可扩展的解决方案提供了可能。 在MQTT生态系统中，两个关键组件负责建立连接、发布和订阅消息：MQTT客户端和MQTT代理（Broker）。客户端是连接物联网设备的接口，负责发送和接收消息；而代理则作为中央枢纽，负责消息的路由和分发，确保信息能够准确、及时地传递给目标客户端。
MQTT核心概念
发布订阅
MQTT基于发布订阅模式，其中发布者发布消息到特定的主题，而订阅者订阅这些主题以接收消息。发布者和订阅者之间不需要直接连接，所有的消息都是通过MQTT代理（Broker）进行路由和转发的。
服务端（Broker）
MQTT服务端（Broker）是MQTT协议中的核心组件，它负责接收客户端的连接、接收发布者发布的消息、根据订阅关系将消息分发给相应的订阅者，并维护客户端的会话信息。Broker是发布者和订阅者之间的桥梁。
客户端
MQTT客户端是使用MQTT协议连接到MQTT服务端的设备或应用程序。客户端可以是发布者，也可以是订阅者，或者同时是两者。客户端通过与服务端建立连接，发送和接收MQTT消息。
主题（Topic）
主题是MQTT消息的一个标识符，用于标识和区分不同的消息。发布者发布消息到特定的主题，而订阅者订阅自己感兴趣的主题来接收相关的消息。主题可以是多层次的，使用斜杠（/）分隔。
通配符
MQTT支持使用通配符来订阅多个主题。单层通配符（+）用于匹配主题中的任意一级，而多层通配符（#）用于匹配主题中的任意多级。通配符使得订阅者可以更加灵活地订阅多个相关的主题。
QoS（消息服务质量）
MQTT定义了三种QoS等级，以确保消息的可靠传输。QoS 0表示最多一次，QoS 1表示至少一次，QoS 2表示只有一次。QoS越大，消息的传输复杂程度也越高，但可靠性也越高。
会话（Session）
MQTT会话是客户端与服务端之间的一种持久连接，用于维护客户端的订阅、QoS等信息。当客户端重新连接时，可以选择从已存在的会话中恢复，以保持之前的订阅和QoS设置。
保留消息（Retained Message）
保留消息是一种特殊的MQTT消息，它会被Broker保留并持久化。当新的订阅者订阅该主题时，会立即收到该主题的最新保留消息。这使得订阅者能够立即获取到最新的数据，而不需要等待新的消息发布。
遗嘱消息（Last Will and Testament, LWT）
遗嘱消息是客户端在连接时设置的一种特殊消息。当客户端异常断开连接时，Broker会发布该遗嘱消息到指定的主题，以通知其他客户端该客户端已经离线。这有助于其他客户端感知到某些客户端的状态变化。
共享订阅（Shared Subscriptions）
共享订阅是MQTT 5.0中引入的一个新特性，它允许多个订阅者共享来自单个发布者的消息。在共享订阅中，消息只会被转发给每个订阅组中的一个客户端，从而实现了消息的负载均衡和高可用性。
MQTT的主要优势
轻量级和高效
MQTT 消息格式非常简洁，减少了网络传输的数据量。 协议设计使得它能够在网络带宽有限的情况下工作得很好。
双向通信
MQTT 支持发布/订阅模式，允许设备（发布者）发布消息到特定的主题（topic），同时允许其他设备或服务器（订阅者）订阅这些主题来接收消息。 消息可以广播给多个订阅者，实现了高效的“一对多”通信。
可扩展性
MQTT 的设计允许它在各种规模的物联网生态系统中使用，从几个设备到数百万个设备。 通过使用层次化的主题结构，MQTT 可以有效地管理大量的设备和数据流。
服务质量（QoS）级别
MQTT 提供了三个不同的 QoS 级别，以确保消息的可靠传递。 QoS 0：最多一次（at most once），消息可能会丢失。 QoS 1：至少一次（at least once），消息可能会重复。 QoS 2：恰好一次（exactly once），确保消息只传递一次。
持久会话
MQTT 支持持久会话（Clean Session 标志设置为 false），使得客户端在断开连接后可以重新连接并继续之前的会话，而无需重新订阅所有主题。 这在不稳定或间歇性连接的网络环境中特别有用。
安全特性
MQTT 支持 TLS（Transport Layer Security）加密，以提供传输过程中的数据保密性。 它还支持各种认证机制（如用户名/密码、客户端证书等）来验证客户端的身份。 MQTT 5 版本还引入了更多的安全特性，如消息级别的加密和授权。
跨平台和互操作性
MQTT 是一个开放的标准，由 OASIS MQTT 技术委员会维护。 它有广泛的客户端库和代理软件支持，使得在各种平台和设备上实现 MQTT 通信变得容易。
低延迟
MQTT 协议设计简洁，消息传输速度快，适用于需要快速响应的物联网应用。
易于集成
MQTT 消息可以很容易地与其他系统（如数据库、云服务、大数据分析平台等）集成，以实现数据的收集、存储和分析。
容错性
MQTT 协议具有容错性，可以处理网络中断和设备故障等异常情况，确保系统的稳定性和可靠性。
MQTT协议数据包
MQTT协议的数据包结构简洁而高效，主要由三部分组成，分别是固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）和消息体（Payload）。
- 固定头（Fixed header）：存在于所有的MQTT数据包中，用于表示数据包类型及对应标志、数据包大小等；
- 可变头（Variable header）：存在于部分类型的MQTT数据包中，具体内容是由相应类型的数据包决定的；
- 消息体（Payload）：存在于部分的MQTT数据包中，存储消息的具体数据。
固定头（Fixed header）
- 存在范围：出现在所有MQTT数据包中。
- 功能：它包含了一些基础控制信息，比如数据包类型（CONNECT, CONNACK, PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK, PINGREQ, PINGRESP, DISCONNECT）和数据包的头部标志位，这些标志位用于指示如QoS等级、重传标志、保留消息标志等特性。此外，还包括一个用于表示剩余数据包长度的字段，使得接收方能够事先知道需要读取多少字节来完整解析该数据包。
固定头格式：
| bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| byte 1 | Message Type（消息类型） | DUP flag | QoS level | RETAIN | ||||
| byte 2 | Remaining Length（剩余消息长度） |
消息类型：
Position: byte 1, bits 7-4.（固定头的高四位Bit表示消息类型）
| Mnemonic | Enumeration | Description |
|---|---|---|
| Reserved | 0 | 保留位 |
| CONNECT | 1 | Client 请求连接到 Broker |
| CONNACK | 2 | 链接确认 |
| PUBLISH | 3 | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | 发布确认 |
| PUBREC | 5 | 发布收到 |
| PUBREL | 6 | 发布释放 |
| PUBCOMP | 7 | 发布完成 |
| SUBSCRIBE | 8 | Client请求订阅 |
| SUBACK | 9 | 订阅确认 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | Client取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | 取消订阅确认 |
| PINGREQ | 12 | Ping 请求 |
| PINGRESP | 13 | Ping 响应 |
| DISCONNECT | 14 | Client 主动断开连接 |
| Reserved | 15 | 保留 |
标志位：
第1个字节的剩余位（低四位bits 3-0）包含了DUP、QoS和RETAIN这三个字段。这些位的位置经过编码，用来表示如下表格所示的标志位。
| 消息类型 | 用途 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|
| PUBLISH | MQTT 3.1.1 使用 | DUP | QoS | QoS | RETAIN |
DUP：当客户端或服务器尝试重新发送PUBLISH、PUBREL、SUBSCRIBE或UNSUBSCRIBE消息时，此标志位将被设置（0：新消息，1：重复消息）。这适用于QoS值大于零（0）且需要确认的消息。当DUP位被设置时，可变头中会包含一个消息ID。 QoS：
| QoS level | bit 2 | bit 1 | Description | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 最多一次 | Fire and Forget | <=1 |
| 1 | 0 | 1 | 至少一次 | Acknowledged delivery | >=1 |
| 2 | 1 | 0 | 恰好一次 | Assured delivery | =1 |
| 3 | 1 | 1 | 保留 |
可变头（Variable header）
- 存在范围：并非所有数据包类型都有可变头，其存在与否及具体内容取决于数据包类型。
- 内容：这部分包含一些与数据包类型相关的额外信息。例如，在PUBLISH数据包中，可变头会包含主题名（Topic Name）；在CONNECT数据包中，它可能包含协议名称、版本、客户端标识符、清洁会话标志、遗嘱主题、遗嘱消息等；在SUBSCRIBE数据包中，则包含订阅的请求标识符和一个或多个主题过滤器及对应的QoS等级。
消息体（Payload）
- 存在范围：并非所有数据包都包含消息体，是否包含以及其内容同样取决于数据包类型。
- 内容：消息体是数据包的核心内容，存放具体的有效载荷数据。例如，在PUBLISH数据包中，消息体就是实际要发送的数据；在SUBACK数据包中，则是返回给客户端的订阅确认码列表。
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