什么是 MQTT？
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级、基于发布-订阅模式的消息传输协议，适用于资源受限的设备和低带宽、高延迟或不稳定的网络环境。它在物联网应用中广受欢迎，能够实现传感器、执行器和其它设备之间的高效通信。
为什么 MQTT 是适用于物联网的最佳协议？
MQTT 所具有的适用于物联网特定需求的特点和功能，使其成为物联网领域最佳的协议之一。它的主要特点包括：
- 轻量级：物联网设备通常在处理能力、内存和能耗方面受到限制。MQTT 开销低、报文小的特点使其非常适合这些设备，因为它消耗更少的资源，即使在有限的能力下也能实现高效的通信。
- 可靠：物联网网络常常面临高延迟或连接不稳定的情况。MQTT 支持多种 QoS 等级、会话感知和持久连接，即使在困难的条件下也能保证消息的可靠传递，使其非常适合物联网应用。
- 安全通信：安全对于物联网网络至关重要，因为其经常涉及敏感数据的传输。为确保数据在传输过程中的机密性，MQTT 提供传输层安全（TLS）和安全套接层（SSL）加密功能。此外，MQTT 还通过用户名/密码凭证或客户端证书提供身份验证和授权机制，以保护网络及其资源的访问。
- 双向通信：MQTT 的发布-订阅模式为设备之间提供了无缝的双向通信方式。客户端既可以向主题发布消息，也可以订阅接收特定主题上的消息，从而实现了物联网生态系统中的高效数据交换，而无需直接将设备耦合在一起。这种模式也简化了新设备的集成，同时保证了系统易于扩展。
- 连续、有状态的会话：MQTT 提供了客户端与 Broker 之间保持有状态会话的能力，这使得系统即使在断开连接后也能记住订阅和未传递的消息。此外，客户端还可以在建立连接时指定一个保活间隔，这会促使 Broker 定期检查连接状态。如果连接中断，Broker 会储存未传递的消息（根据 QoS 级别确定），并在客户端重新连接时尝试传递它们。这个特性保证了通信的可靠性，降低了因间断性连接而导致数据丢失的风险。
- 大规模物联网设备支持：物联网系统往往涉及大量设备，需要一种能够处理大规模部署的协议。MQTT 的轻量级特性、低带宽消耗和对资源的高效利用使其成为大规模物联网应用的理想选择。通过采用发布-订阅模式，MQTT 实现了发送者和接收者的解耦，从而有效地减少了网络流量和资源使用。此外，协议对不同 QoS 等级的支持使得消息传递可以根据需求进行定制，确保在各种场景下获得最佳的性能表现。
- 语言支持：物联网系统包含使用各种编程语言开发的设备和应用。MQTT 具有广泛的语言支持，使其能够轻松与多个平台和技术进行集成，从而实现了物联网生态系统中的无缝通信和互操作性。您可以阅读我们的 MQTT 客户端编程系列文章，学习如何在 PHP、Node.js、Python、Golang、Node.js 等编程语言中使用 MQTT。
MQTT 的工作流程
在了解了 MQTT 的基本组件之后，让我们来看看它的一般工作流程：
- 客户端使用 TCP/IP 协议与 Broker 建立连接，可以选择使用 TLS/SSL 加密来实现安全通信。客户端提供认证信息，并指定会话类型（Clean Session 或 Persistent Session）。
- 客户端既可以向特定主题发布消息，也可以订阅主题以接收消息。当客户端发布消息时，它会将消息发送给 MQTT Broker；而当客户端订阅消息时，它会接收与订阅主题相关的消息。
- MQTT Broker 接收发布的消息，并将这些消息转发给订阅了对应主题的客户端。它根据 QoS 等级确保消息可靠传递，并根据会话类型为断开连接的客户端存储消息。
通信模型：
MQTT特点
1.客户端使用它连接服务端。
2.它提供有序的、可靠的、双向字节流传输。
3.使用发布/订阅消息模式，提供了一对多的消息分发和应用之间的解耦。
4.消息传输不需要知道负载内容。
5.提供三种等级的服务质量QoS ：
6.很小的传输消耗和协议数据交换，最大限度减少网络流量
7.异常连接断开发生时，能通知到相关各方。
MQTT的消息质量
消息质量（QoS）
MQTT消息质量有三个等级，QoS 0，QoS 1和 QoS 2。
QoS 0：最多分发一次。消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络，协议里没有定义应答和重试，消息要么只会到达服务端一次，要么根本没有到达。消息可能会丢失。例如，这个等级可用于环境传感器数据，单次的数据丢失没关系，因为不久之后会再次发送。
QoS 1：至少分发一次。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或发送设备异常，或者指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。(保证交付功能)
QoS 2：只分发一次。这是最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。例如，这个等级可用在一个计费系统中，这里如果消息重复或丢失会导致不正确的收费
CONNECT报文格式：
CONNECT报文格式中，固定报头由两个字节组成 byte1由MQTT报文类型与保留位组成，byte2由剩余长度决定
CONNECT报文的可变报头按下列次序包含四个字段：协议名（Protocol Name），协议级别（Protocol Level），连接标志（Connect Flags）和保持连接（Keep Alive）。
协议级别 Protocol Level
客户端用8位的无符号值表示协议的修订版本。对于3.1.1版协议，协议级别字段的值是4(0x04)。如果发现不支持的协议级别，服务端必须给发送一个返回码为0x01（不支持的协议级别）的CONNACK报文响应CONNECT报文，然后断开客户端的连接 [MQTT-3.1.2-2]。
连接标志 Connect Flags
连接标志字节包含一些用于指定MQTT连接行为的参数。它还指出有效载荷中的字段是否存在
服务端必须验证CONNECT控制报文的保留标志位（第0位）是否为0，如果不为0必须断开客户端连接 [MQTT-3.1.2-3]。
有效载荷 Payload
CONNECT报文的有效载荷（payload）包含一个或多个以长度为前缀的字段，可变报头中的标志决定是否包含这些字段。如果包含的话，必须按这个顺序出现：客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码 [MQTT-3.1.3-1]。
CONNACK报文格式：
固定报头格式：
可变报头格式：
第1个字节是 连接确认标志，位7-1是保留位且必须设置为0。 第0 (SP)位 是当前会话（Session Present）标志。
操作行为 Operational behavior
状态存储 Storing state
为了提供服务质量保证，客户端和服务端有必要存储会话状态。在整个会话期间，客户端和服务端都必须存储会话状态 [MQTT-4.1.0-1]。会话必须至少持续和它的活跃网络连接同样长的时间 [MQTT-4.1.0-2]。
服务端的保留消息不是会话状态的组成部分。服务端应该保留那种消息直到客户端删除它。
服务质量等级和协议流程 QoS
MQTT按照这里定义的服务质量 (QoS) 等级分发应用消息。分发协议是对称的，在下面的描述中，客户端和服务端既可以是发送者也可以是接收者。分发协议关注的是从单个发送者到单个接收者的应用消息。服务端分发应用消息给多个客户端时，每个客户端独立处理。分发给客户端的出站应用消息和入站应用消息的QoS等级可能是不同的。
MQTT协议解析