正点原子lwIP学习笔记——MQTT协议

1. MQTT简介

MQTT是一种基于客户端服务端架构的发布/订阅模式的消息传输协议。他的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，易于实现。这些特点使得他对很多场景来说都是很好的选择，尤其是对于受限的环境如机器与机器的通信（M2M）以及物联网环境（IoT）。

MQTT特点

1. 消息模式：发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布；
2. 可靠传输：MQTT是基于TCP连接进行数据推送的；
3. 服务等级：支持QoS等级，根据消息的重要性设置不同的服务等级；
4. 轻量级：小型传输，开销很小，协议交换最小化，以降低网络流量；
5. 遗嘱机制：使用will遗嘱机制来通知客户端异常断线；
6. 主题机制：基于主题发布/订阅消息，对负载内容屏蔽的消息传输。

MQTT版本

一共是两个主流版本，一个是V3.1.1，另一个是升级版V5。

MQTT5实在MQTT3.1.1的基础上进行了升级，所以MQTT5是完全兼容MQTT3.1.1的。

MQTT协议重要角色

• 服务端（broker）：MQTT信息传输的枢纽，负责数据传递和客户端管理，确保客户端之间的通讯顺畅；（一般是云端）
• 客户端（Client）：“发布”——向服务器发布消息，“订阅”——从服务器收取信息；（有点类似微博的机制，只有关注了该主题，才能获取该主题信息）

客户端的发布和订阅都是围绕“主题”来进行的！！！

同时客户端可以是订阅者也可以是发布者！！！

电脑端订阅了主题“C”，所以在开发板发送了主题“C”的数据之后，电脑端能够接收到信息；而手机端没有订阅，所以不会有接收。

MQTT发布/订阅特性

• 相互独立：MQTT客户端相互独立，依然可以实现信息交流
• 空间分离：MQTT客户端和MQTT服务端处于同一个通信网络中
• 时间异步：MQTT客户端在发送和接收消息时无需同步

QoS服务质量

服务质量是MQTT的一个重要特性。

当我们使用TCP/IP协议时，连接已经在一定程度上受到保护；但是再无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。

报文在不可靠的信道上可能存在丢失，于是最直接的解决方案就是重发；服务质量实际就是表示报文要发布几次：

• QoS 0：最多一次 <=1；
• QoS 1：至少一次 >=1；
• QoS 2：一次 =1。

QoS0服务质量

发送端一旦发送完消息，就完成任务。发送端不会检查发送的消息能否被正确接收到。（类似UDP）

QoS1服务质量

发送端在消息发送完成后，会检查接收端是否已经成功接收到消息。

如果服务端没有返回一个应答的ACK包，就会再次发送报文，直到有接收到应答信号。

QoS2服务质量

发送端需要接收端进行两次消息确认，所以2级MQTT服务质量是最安全的服务级别，也是最慢的服务等级。

2. MQTT协议报文结构

固定报头是一定存在的，表示数据包类型以及数据包的标识，最少也会有2个字节；而可变包头和有效负载是可选的，都是根据数据包的类型来决定的。

固定报头

固定报头至少2个字节，第1个字节中：
高4位：报文类型；低4位：报文类型相关标志位；
第2个字节以及之后字节（至多4个字节）是剩余数据的长度。

一共14种报文类型；

CONNECT就是客户端发送到服务端的，表示客户端请求连接服务器；CONNACK是服务端发给客户端的，表示服务端连接报文的确认应答信号；

PUBLISH就是发布消息，如果是QoS1就会有PUBACK应答信号表示发布确认；如果是QoS2，那么会有PUBREC发布收到，PUBREL发布释放以及PUBCOMP发布完成信号；

SUBSCRIBE是客户端发送给服务端的，是一个客户端订阅的请求信号；SUBACK就是服务端发回客户端的服务端订阅确认信号；UNSUBSCRIBE和UNSUBACK就是取消订阅相关信号；

PINGREQ是客户端发给服务端的客户端心跳请求信号，PINGRESP就是服务端的心跳响应信号；

最后还有一个DISCONNECT的客户端发给服务端的断开连接信号。

在PUBLISH中，在MQTT3.1.1版本中用到了如下3中标志：

• DUP：PUBLISH报文的重复传送标志；
• QoS：PUBLISH报文的服务质量等级；
• RETAIN：PUBLISH报文的保留标志。

这其中，DUP有如下参数：

• 0：客户端/服务端第一次尝试发送PUBLISH数据包；
• 1：可对之前尝试发送的数据包重新发送。

当客户端或服务端尝试重新传递PUBLISH数据包，DUP必须是1；所有的QoS0消息，DUP必须是0。

MQTT可变报头

某些类型的MQTT控制数据包包含可变报头，它位于固定报头和有效负载之间。可变报头的内容根据报文类型决定。例如：CONNECT报文的可变报头有：协议名、协议等级、连接标志和保活间隔等部分。可变报头的报文标识符在几种数据包类型中是通用的。

MQTT有效负载

有些MQTT控制报文在数据包的最后部分包含有效负载，例如对PUBLISH报文来说，有效负载就可以是应用消息。

包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息需要有效负载：

1. CONNECT：客户端ID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码；
2. SUBSCRIBE：订阅的Topic以及QoS；
3. SUBACK：服务端对于SUBSCRIBE所申请的Topic以及QoS进行确认和回复；
4. UNSUBSCRIBE：取消订阅的Topic。

这四种是必须要Payload的，而PUBLISH是可选择是否需要的。

3. MQTT原理解析

1. 客户端与代理服务器建立连接
   

首先要通过TCP与代理服务器建立连接，这就需要代理服务器的IP地址和端口号；然后通过MQTT的库配置账号密码还有各种参数，然后调用CONNECT方法请求连接；服务端是一直监听的，建立了TCP连接并接收到CONNECT报文后，会进行数据解析并配置参数，之后发送CONNACK的应答信号；客户端收到信号后解析并成功连接，就进入订阅主题的步骤。

2. 客户端向代理服务器订阅

通过MQTT的库，通过Subscribe方法发送SUBSCRIBE报文给服务端；服务端解析报文后，会记录客户端的订阅主题，发送SUBACK报文给客户端；客户端接收到应答信号后，就会解析报文并成功订阅，之后监听代理服务器的主体信息。

3. 客户端向代理服务器发布主题

调用MQTT的API来构建发布报文，然后发送PUBLISH报文；服务器解析发送报文，会发送PUBACK返回客户端；客户端解析后，会监听服务器消息；服务器会根据QoS查找相应客户端，找到符合条件的客户端之后，会推送同主题的消息；本客户端就会这样收到订阅消息。

总结

MQTT是很常用的应用层协议，物联网这边很多都是用MQTT完成的联网工作，这一篇主要学习了一下MQTT的命令种类以及相关的数据传输流程。