# 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 (opens new window)

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 (opens new window)

MQTT v5.0 协议规范: https://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v5.0/mqtt-v5.0.html (opens new window)

# 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/#
 
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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
 
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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
 
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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                            |
+----------+-----------------------------------------------+
 
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# 报文类型

# 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。

# 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'
 
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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
 
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保留消息 (Retained Message) 有两种清除方式:

1. 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 ''
 
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2. 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 mqttv3.1.1
 
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# MQTT 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。