MQTT 协议简介
MQTT 是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计。
MQTT 官网: http://mqtt.org
MQTT v3.1.1 协议规范: http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html
MQTT v5.0 协议规范: https://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v5.0/mqtt-v5.0.html
特点
- 开放消息协议，简单易实现
- 发布订阅模式，一对多消息发布
- 基于 TCP/IP 网络连接
- 1字节固定报头，2字节心跳报文，报文结构紧凑
- 消息 QoS 支持，可靠传输保证
应用
MQTT 协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。
- 物联网 M2M 通信，物联网大数据采集
- Android 消息推送， WEB 消息推送
- 移动即时消息，例如 Facebook Messenger
- 智能硬件、智能家具、智能电器
- 车联网通信，电动车站桩采集
- 智慧城市、远程医疗、远程教育
- 电力、石油与能源等行业市场
MQTT 基于主题 (Topic) 消息路由
MQTT 协议基于主题 (Topic) 进行消息路由，主题 (Topic) 类似 URL 路径，例如:
chat/room/1
sensor/10/temperature
sensor/+/temperature
$SYS/broker/metrics/packets/received
$SYS/broker/metrics/#主题 (Topic) 通过/分割层级，支持+, #通配符:
'+': 表示通配一个层级，例如a/+，匹配a/x, a/y
'#': 表示通配多个层级，例如a/#，匹配a/x, a/b/c/d订阅者与发布者之间通过主题路由消息进行通信，例如采用mosquitto命令行发布订阅消息:
mosquitto_sub -t a/b/+ -q 1
mosquitto_pub -t a/b/c -m hello -q 1订阅者可以订阅含通配符主题，但发布者不允许向含通配符主题发布消息。
MQTT V3.1.1协议报文
报文结构
- 固定报头 (Fixed header)
- 可变报头 (Variable header)
- 报文有效载荷 (Payload)
固定报头
+----------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
| Bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
+----------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
| byte1 | MQTT Packet type | Flags |
+----------+-----------------------+-----------------------+
| byte2... | Remaining Length |
+----------+-----------------------------------------------+报文类型
| 类型名称 | 类型值 | 报文说明 |
|---|---|---|
| CONNECT | 1 | 发起连接 |
| CONNACK | 2 | 连接回执 |
| PUBLISH | 3 | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | 发布回执 |
| PUBREC | 5 | QoS2消息回执 |
| PUBREL | 6 | QoS2消息释放 |
| PUBCOMP | 7 | QoS2消息完成 |
| SUBSCRIBE | 8 | 订阅主题 |
| SUBACK | 9 | 订阅回执 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | 取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | 取消订阅回执 |
| PINGREQ | 12 | PING请求 |
| PINGRESP | 13 | PING响应 |
| DISCONNECT | 14 | 断开连接 |
PUBLISH 发布消息
PUBLISH 报文承载客户端与服务器间双向的发布消息。 PUBACK 报文用于接收端确认 QoS1 报文，PUBREC/PUBREL/PUBCOMP 报文用于 QoS2 消息流程。
PINGREQ/PINGRESP 心跳
客户端在无报文发送时，按保活周期 (KeepAlive) 定时向服务端发送 PINGREQ 心跳报文，服务端响应 PINGRESP报文。PINGREQ/PINGRESP 报文均2个字节。
MQTT 消息 QoS
MQTT 发布消息 QoS 保证不是端到端的，是客户端与服务器之间的。订阅者收到 MQTT 消息的 QoS 级别，最终取决于发布消息的 QoS 和主题订阅的 QoS。
| 发布消息的 QoS | 主题订阅的 QoS | 接收消息的 QoS |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 2 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 2 | 1 |
| 2 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 |
| 2 | 2 | 2 |
Qos0 消息发布订阅
Qos1 消息发布订阅
Qos2消息发布订阅
MQTT 会话 (Clean Session)
MQTT 客户端向服务器发起 CONNECT 请求时，可以通过 Clean Session 标志设置会话。
Clean Session 设置为0，表示创建一个持久会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销。
Clean Session 设置为1，表示创建一个新的临时会话，在客户端断开时，会话自动销毁。
MQTT 连接保活心跳
MQTT 客户端向服务器发起 CONNECT 请求时，通过 KeepAlive 参数设置保活周期。
客户端在无报文发送时，按KeepAlive周期定时发送2字节的 PINGREQ 心跳报文，服务端收到 PINGREQ 报文后，回复2字节的 PINGRESP 报文。
服务端在1.5个心跳周期内，既没有收到客户端发布订阅报文，也没有收到 PINGREQ 心跳报文时，主动心跳超时断开客户端 TCP 连接。
EMQX 消息服务器默认按最长 2.5 心跳周期超时设计。
MQTT 遗嘱消息 (Last Will)
MQTT 客户端向服务器端 CONNECT 请求时，可以设置是否发送遗嘱消息 (Will Message) 标志，和遗嘱消息主题(Topic) 与内容 (Payload)。
MQTT 客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送 DISCONNECT 消息)，MQTT 消息服务器会发布遗嘱消息。
MQTT 保留消息 (Retained Message)
MQTT 客户端向服务器发布 (PUBLISH) 消息时，可以设置保留消息 (Retained Message) 标志。保留消 (Retained Message) 会驻留在消息服务器，后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息。
例如 mosquitto 命令行发布一条保留消息到主题 a/b/c:
mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m 'hello'之后连接上来的 MQTT 客户端订阅主题 a/b/c 时候，仍可收到该消息:
$ mosquitto_sub -t a/b/c -q 1
hello保留消息 (Retained Message) 有两种清除方式:
- 客户端向有保留消息的主题发布一个空消息:
mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m ''- 消息服务器设置保留消息的超期时间。
MQTT WebSocket 连接
MQTT 协议除支持 TCP 传输层外，还支持 WebSocket 作为传输层。通过 WebSocket 浏览器可以直连 MQTT 消息服务器，发布订阅模式与其他 MQTT 客户端通信。
MQTT 协议的 WebSocket 连接，必须采用 binary 模式，并携带子协议 Header:
Sec-WebSocket-Protocol: mqttv3.1 或 mqttv3.1.1MQTT 与 XMPP 协议对比
MQTT 协议设计简单轻量、路由灵活，将在移动互联网物联网消息领域，全面取代 PC 时代的 XMPP 协议:
- MQTT 协议一个字节固定报头，两个字节心跳报文，报文体积小编解码容易。XMPP 协议基于繁重的 XML，报文体积大且交互繁琐。
- MQTT 协议基于主题 (Topic) 发布订阅模式消息路由，相比 XMPP 基于 JID 的点对点消息路由更为灵活。
- MQTT 协议未定义报文内容格式，可以承载 JSON、二进制等不同类型报文。XMPP 协议采用 XML 承载报文，二进制必须 Base64 编码等处理。
- MQTT 协议支持消息收发确认和 QoS 保证，XMPP 主协议并未定义类似机制。MQTT 协议有更好的消息可靠性保证。