MQTT物联网通信协议概论

实时通讯协议是物联网技能中的一项根天性技能，在数据的有效传输、实时通讯方面不可或缺，在物联网范畴发挥着至关告急的作用，因此物联网通讯协议的订定至关告急。如今物联网装备广泛利用的有四大实时协议XMPP、REST/HTTP、CoAP以及MQTT。XMPP是一种基于标准通用标记语言的子集XML的协议，它继续了在XML环境中机动的发展性，但对于嵌入式装备来说，分析非常困难；REST (Representational State Transfe)是一种架构风格，即表述性状态通报，它基于HTTP界说了一组束缚和属性，实用于web服务，在物联网方面告急被应用于基于HTTP web服务的转化，但对于嵌入式装备而言，如今很多物联网接入装备大多属于资源受限型装备，只拥有有限的盘算本领和有限的存储空间，故相比力而言REST/HTTP属于重量级协议；由于物联网中的很多装备属于资源受限型，The Internet Engineering Task Force (IETF)提出了一种基于REST架构的CoAP协议，Constrained Application Protocol (CoAP) 是一种针对受限装备的专用Internet应用协议，CoAP是一种应用层协议，它运行于UDP协议之上，但是一对一的协议；MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 消息队列遥测传输，是由IBM公司主导开辟的物联网实时通讯协议。MQTT是为大量盘算本领有限的装备所筹划的，使得装备工作在低带宽、不可靠网络的环境时，可以大概有效地举行网络数据交互，进而使得长途传感器和控制装备可以大概与服务器实时通讯，故本文选作MQTT协议作为本次物联网平台的通讯协议。

MQTT协议论述

MQTT协议由IBM主导开辟的一种轻量级基于客户端-服务器的消息发布/订阅模式的消息传输协议，同时MQTT协议基于TCP协议，其运行在TCP长毗连的底子上，为网络装备提供有序、可靠、双向毗连的网络毗连保障。作为广泛的利用物联网通讯协议，MQTT具有以下几项告急特性：

(1)轻量级

由于物联网装备的特别性，为了包管数据在低带宽、不可靠的网络中传输有效的数据，故MQTT协议的筹划原则是精简，不添加无关告急的功能，以包管协议的轻巧性，因此MQTT协议头部协议字段2只有两字节，只管保持轻量级的特性。

(2)支持发布(PUBLISH)/订阅(SUBSCRIBE)模式

利用发布/订阅模式排除了通讯装备终端之间的耦合，解耦方式可以从多个方面举行加以区分，告急有空间解耦、时间解耦和同步解耦。空间解耦：支持一对多、多对一、多对多的消息通报，发布者装备与订阅者装备相互相互独立，消息发布者与订阅者不知道相互任何干系信息就可以实现数据交互，比如对方的IP所在和端口，方便了消息在装备之间的通报；时间解耦：发布者和订阅者无需同时运行；同步解耦：在装备消息发布或吸取期间，消息发布者与订阅者的其他利用不会停息。

(3)提供三种级别Qos消息通报范例

当Qos值为0时，为最多传输一次(At most once delivery)，此种传输方式中，发送方不必要收到服务器回应，消息大概到达服务器一次，或大概根本不会到达此种传输方式属于答应消息丢失场景，性能最高；当Qos值为1时，发送放至少发送一次(At least once delivery)，以确保消息到达吸取方，吸取方必要返回确认消息，在此环境下，担当方大概会吸取到重复消息，即得当不答应消息丢失，但答应消息重复的场景，性能中等。当Qos值为2时，消息体只到达一次而且包管消息送达(Exactly once delivery)。为确保相应消息可以大概到达发送方，吸取方必须期待发送方对担当方相应消息的相应，只有收到发送方简直认消息后，吸取方才气对订阅者投递消息。

(4)提供遗嘱机制

遗嘱生存告急用于发布态(PUBLISH)的消息，当遗嘱标记（毗连标记的第二位）被设置为1，而且遗嘱生存位（毗连标记的第五位）被设置为1，服务器端会将此次发送的消息作为遗嘱消息生存发布，即当有新的订阅者出现，服务器会将此消息推送出去。

MQTT控制报文格式

利用MQTT协议，必须严酷依照MQTT控制报文格式来举行通讯，MQTT预界说的控制报文格式较为精简，告急由三部门构成：固定报头(Fixed header)、可变报头(Variable header)、有效载荷(Payload)。控制报文结构如图所示。

固定报头

每个MQTT控制报文都必须携带一个固定报头，固定头部部门占两个字节，共16位。固定报头的控制报文格式如图所示。

MQTT控制报文范例有14种，依次为CONNECT（客户端哀求毗连到服务器）、CONACK（毗连确认）、PUBLISH（发布消息）、PUBACK（发布确认）、PUBREC（发布初稿）、PUBREL（出书发行）、PUBCOMP（发布完备）、SUBSCRIBE（客户端订阅哀求）、SUBACK（订阅确认）、UNSUBSCRIBE（退订哀求）、UNSUBACK（退订确认）、PINGREQ（Ping 哀求）、PINGRESP（Ping 相应）、DISCONNECT（客户端断开服务器毗连）。如图所示。

控制报文范例的标记位只有在PUBLISH（发布消息）范例时有效，其他控制报文范例标记位现生存。控制报文范例的标记位重发标记DUP，在固定报头第一字节第3位，如果DUP标记为0，表现这是发送方第一次哀求发送的PUBLISH报文，如果值为DUP标记位被设置为1，表现这大概是早期报文哀求的重发。控制报文范例的标记位服务质量品级QoS，在固定报头第一字节2-1位，该字段表现消息通报范例。三种消息通报服务质量如图所示。

剩余长度字段是从报文段的第二个字节开始，剩余长度字段（Remaining Length）是除固定头部报文段以外的报文段，包罗可变报头和负载数据。

可变报头

MQTT报笔墨段除了必须的固定报头，在某些MQTT控制报文中包罗可变报头字段，该报文段根据各报文范例的差别而差别，具体可根据报文标识符辨认。在PUBLISH控制报文、PUBACK控制报文、PUBREC控制报文、PUBREL控制报文、PUBCOMP控制报文、SUBSCRIBE控制报文、SUBACK控制报文，UNSUBSCIBE控制报文、UNSUBACK控制报文的可变头部部门都含有一个两字节的可变头部，报文标识符的作用是标识区别报文，当客户端每发送一个新的范例的报文段时，该客户端所发送的报文中必须重新分配新的报文标识符，且新的控制报文标识符必须是当前未利用的报文标识符，而当由于某种缘故原由该客户端必要重新发送该控制报文时，重发的控制报文必须携带与原控制报文的标识符雷同的报文标识符。当客户端收到该控制报文简直认信息后，才可开释该报文标识符，即下次发送控制报文时可重用该报文标识符。

有效载荷

有效载荷用于携带应用消息，位于固定首部和可变报头之后，即位于控制报文的末了部门，有效载荷不是每个控制报文必须携带的报文段，但是在CONNECT控制报文、SUBSCRIBE控制报文、SUBACK控制报文、UNSUBSCRIBE控制报文中必要携带，在PUBLISH控制报文中为可选字段，在其他控制报文中不必要携带。CONNECT控制报文段中有效载荷字段内容告急是客户端的ClientID、遗嘱主题，遗嘱消息以及用户名和暗码，且必须按此次序分列。SUBSCRIBE控制报文段中效载荷字段内容是要订阅的主题以及Qos。SUBACK控制报文段中效载荷字段内容是对SUBSCRIBE控制报文所订阅的主题简直认和复兴。SUBACK控制报文段中消息体内容是要订阅的主题。

MQTT控制报文

MQTT客户端，纵然用MQTT协议通讯的步伐或装备，其必须依照MQTT控制报文格式发送MQTT控制报文到服务器端。MQTT共14种差别的控制报文的范例。

CONNECT报文是客户端毗连到服务器端发送的第一个报文，而且，在一个网络毗连上，客户端只能发送一次CONNECT控制报文，否则服务器将断开该毗连，并将该报文做违规处置惩罚。CONNECT控制报文的固定报头如图所示。

客户端在乐成创建TCP毗连之后，发送CONNECT控制报文到服务器，服务器给出确认，客户端收到该确认消息后，会发送SUBSCRIBE控制报文到服务器订阅相应的主题列表，订阅过程中客户端装备至少订阅一个主题。SUBSCRIBE控制报文也会指定Qos服务质量品级，服务器根据该报文发送 PUBLISH报文给客户端。SUBSCRIBE控制报文固定报头格式如图所示。

PUBLISH控制报文是消息推送方推送消息到服务器，或由服务推送消息到相应主题订阅者的应用消息报文。PUBLISH报文固定报头如图2-7所示。第一个字节第三位DUP标记位为重发标记，如果DUP标记位被设置为0，表现这是客户端或服务器端第一次哀求发送本报文，如果是重新发送的报文，则DUP标记应设置为1。