MQTT协议

MQTT代表消息队列遥测传输。 MQTT是一台机器到机器的物联网连接协议。它是一种非常轻巧的发布订阅消息传递协议。该协议对于与带宽较宝贵的远程位置的连接很有用。这些特性使其在各种情况下都非常有用，包括恒定的环境，例如用于机器对机器的通信以及物联网环境。这是一个发布和订阅系统，在这里我们可以作为客户端发布和接收消息。它使在多个设备之间进行通信变得容易。它是为受约束的设备设计的，具有低带宽的简单消息传递协议，因此它是物联网应用程序的理想解决方案。

MQTT的特征

MQTT具有一些其他协议中几乎找不到的独特功能。 MQTT的某些功能如下：

• 它是机器对机器的协议，即，它提供设备之间的通信。
• 它被设计为一种简单的轻量级消息传递协议，该协议使用发布/订阅系统在客户端和服务器之间交换信息。
• 不需要客户端和服务器都同时建立连接。
• 它提供了更快的数据传输，就像WhatsApp / messenger如何提供更快的传递一样。这是一种实时消息传递协议。
• 它允许客户订阅主题的狭窄选择，以便他们可以接收他们正在寻找的信息。

MQTT的历史

MQTT由IBM的Andy Stanford-Clark博士和Arlen Nipper开发。在MQTT ORG下提供了协议3.1和3.1.1的早期版本。 2014年，MQTT由OASIS正式发布。 OASIS成为MQTT开发的新家。然后，OASIS开始了MQTT的进一步开发。 3.1.1版对3.1较为满意，并且只进行了较小的更改，例如对连接消息的更改和3.1版的说明。 MQTT的最新版本是5.0，它是3.1.1版本的后续版本。 5.0版不落后，像3.1.1版一样舒适。根据规范，版本5.0具有大量使代码就位的功能。

5.0版的主要功能目标是：

• 增强可扩展性和大型系统，以便与成千上万的设备建立连接。
• 改进错误报告

MQTT体系结构

为了了解MQTT架构，我们首先看一下MQTT的组件。

• 信息
• 客户
• 服务器或代理
• 话题

信息

该消息是协议通过网络为应用程序执行的数据。通过网络传输消息时，该消息包含以下参数：

• 有效载荷数据
• 服务质量(QoS)
• 属性集合
• 主题名称

客户

在MQTT中，订户和发布者是客户端的两个角色。客户端订阅主题以发布和接收消息。简而言之，我们可以说，如果任何程序或设备使用MQTT，则该设备称为客户端。如果设备打开了与服务器的网络连接，发布了其他客户端希望查看的消息，订阅了它希望接收的消息，取消订阅了它不希望接收的消息，并且关闭了该设备，则它就是客户端。与服务器的网络连接。

在MQTT中，客户端执行两项操作：

在MQTT中，客户端执行两项操作：

发布：当客户端将数据发送到服务器时，我们将此操作称为发布。

订阅：当客户端从服务器接收数据时，我们将此操作称为订阅。

服务器

允许客户端发布消息并订阅消息的设备或程序。服务器接受来自客户端的网络连接，接受来自客户端的消息，处理订阅和取消订阅请求，将应用程序消息转发到客户端，并关闭来自客户端的网络连接。

话题

将对照服务器已知的订阅(称为“ TOPIC”)来检查提供给消息的标签。

MQTT的体系结构

现在，我们将看一下MQTT的体系结构。为了更清楚地理解它，我们将看示例。假设设备具有温度传感器，并且希望将评级发送到服务器或代理。如果电话或桌面应用程序希望在另一侧接收此温度值，则将发生两件事。发布者首先定义主题；例如，温度然后发布消息，即温度值。发布消息后，另一端的电话或桌面应用程序将订阅主题(即温度)，然后接收发布的消息(即温度值)。服务器或代理的角色是将已发布的消息传递到电话或桌面应用程序。

MQTT消息格式

MQTT使用命令和命令确认格式，这意味着每个命令都具有关联的确认。如上图所示，connect命令具有连接确认，subscribe命令具有订阅确认，而publish命令具有发布确认。此机制类似于TCP协议中的握手机制。

现在，我们将看一下MQTT的数据包结构或消息格式。

MQTT消息格式由2个字节的固定头组成，该头存在于所有MQTT数据包中。第二个字段是可变标头，并不总是存在。第三个字段是有效载荷，也不总是存在。有效负载字段基本上包含正在发送的数据。我们可能会认为有效负载是必填字段，但不会发生。某些命令不使用有效负载字段，例如，断开消息。

固定头

让我们观察一下固定标头的格式。

正如我们可以以上述格式观察到的那样，固定标头包含两个字节。第一个字节包含以下字段：

• MQTT控制数据包类型：它占据4位，即7到4位的位置。该4位是分配的值，并且每个位代表MQTT控制数据包类型。
• 特定于每种MQTT数据包类型的标志：剩余的4位表示特定于每种MQTT数据包类型的标志。

字节2包含剩余长度，它是一个可变长度的字节整数。它表示当前控制包中剩余的字节数，包括变量头和有效载荷中的数据。因此，可以说剩余长度等于变量头和有效载荷中数据的总和。

MQTT控制数据包类型

上表显示了具有4位值和方向流的控制包类型。正如我们可以看到的那样，每个命令后面都带有确认，例如CONNECT具有CONNACK，PUBLISH具有PUBACK，PUBREC，PUBREL和PUBCOMP，SUBSCRIBE具有SUBACK，UNSUBSCRIBE具有UNSUBACK。

标志位

上表显示了与每个命令关联的标志值。在这里，保留是指将来的使用，这意味着它现在不在使用中。在PUBLISH命令的情况下，标志位进一步分为DUP，QoS和RETAIN，其中DUP是PUBLISH数据包的重复传送，QoS是服务质量，而RETAIN是保留的消息标志。

剩余长度

剩余长度是一个可变长度整数，表示当前控制包中剩余的字节数，包括可变报头和有效载荷中的数据。因此，剩余长度等于变量头中的数据加上有效载荷。

剩余长度=可变标头长度+有效负载长度

例如，如果变量头的长度为20，有效负载的长度为30，则剩余长度为50。

剩余长度最多可使用4个字节，从2个字节开始，最多可使用4个字节。

该字段使用7位作为长度，并且MSB位可用于继续标记。如果延续标志为1，则下一个字节也是

剩余长度。如果连续标志为0，则字节为剩余长度的最后一个。

可变标题

某些类型的MQTT控制数据包类型还包含一个可选字段，即变量头组件。该字段位于固定报头和有效负载之间。可变报头的内容取决于数据包类型。变量头包含数据包标识符字段，这在几种数据包类型中都很常见。许多MQTT控制数据包类型的可变标头组件包括2字节整数，即数据包标识符字段。

下面的给定列表包含数据包标识符字段：

• 发布
• 回送
• PUBREC
• 公开
• PUBCOMP
• 订阅
• 后退
• 取消订阅
• 取消订阅

与数据包标识符字段有关的关键点：

• 如果QoS(服务质量)的值设置为零，则PUBLISH数据包不应包含数据包标识符字段。这意味着如果QoS的值大于零，则仅PUBLISH数据包将包含数据包标识符字段。
• 当客户端发送新的SUBSCRIBE，UNSUBSCRIBE或PUBLISH MQTT控制数据包时，它应分配一个非零的数据包标识符，该标识符当前未使用。
• 服务器发送新的PUBLISH MQTT控制数据包时，应分配一个当前未使用的非零数据包标识符。
• PUBACK，PUBREC，PUBUREL，PUBREC是PUBLISH命令的确认数据包，其中包含与PUBLISH数据包相同的数据包标识符。
• SUBACK和UNSUBACK分别是SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE的确认数据包。这两个数据包(即SUBACK和UNSUBACK)都使用与SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE数据包相同的数据包标识符。
• 在处理相应的确认包之后，包标识符可以重新使用。可以定义如下：

如果QoS的值为1，则PUBLISH的确认包将为PUBACK。如果它处理PUBACK，则可以重新使用PUBACK的数据包标识符。

如果QoS值为2，则PUBLISH的确认包将为PUBCOMP或PUBREC。

有效载荷

在ICMP消息格式中，最后一个MQTT控制数据包是有效负载。该字段包含要发送的数据。例如，在CONNECT数据包的情况下，有效负载是客户端ID，用户名和密码，在PUBLISH数据包中，有效负载只是应用程序消息。