物联网MQTT协议简易入门教程

发布网友 发布时间：2024-10-23 22:58

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热心网友 时间：2024-11-09 22:35

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。

MQTT最大优点在于，用极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。

做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。

MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。

其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT与HTTP一样，MQTT运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。

MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。

这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。

MQTT服务器是发布-订阅架构的核心。

它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或Internet服务器上实现。

服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！

客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之。

客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有TCP/IP堆栈和实现MQTT协议的软件的计算机。

消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的UTF-8字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。

我们来看看下面的设置。

这就是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示；

服务质量是MQTT的一个重要特性。当我们使用TCP/IP时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，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。如果客户端发布到MQTT服务器，则客户端将是发送者，MQTT服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。

QoS 0

这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1

QoS 1

QoS 1承诺消息将至少传送一次给订阅者。该消息已获取消息ID。发送方存储消息，直到收到PUBACK订阅方的确认( )。发件人第一次将重复标志设置为0(DUP = 0)。QoS 1告诉目标设备（接收器）需要确认要求。如果消息被正确接收，接收者会发送一个PUBACK（确认）和正确的消息ID。但是，如果在没有确认的情况下超过特定时间，则会再次发送消息，这次将重复标志设置为1(DUP = 1)。同一目标设备可能会多次发生这种情况。此目标设备必须具有必要的逻辑来检测重复项并做出同样的反应。

QoS 2

使用QoS 2，我们保证消息仅传送到目的地一次。为此，带有唯一消息ID的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者。QoS级别2在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。在第一次发送(DUP = 0)之后，发送方重复发送(( DUP = 1)直到它接收到一个PUBREC告诉，该消息已被接收方存储。在第二次交易中，发送方告诉接收方停止传输与PUBREL(release), clear用于存储的缓冲区并发送一个PUBCOMP（完成）发送方确定已成功被目标设备接收一次后，成功传递已发布的QoS 2消息。

整体MQTT的消息格式如下图所示；

2.1MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

下面简单分析一下固定头的消息格式；

MQTT消息类型 / message type

**位置：**byte 1, bits 7-4。

相当于一个4位的无符号值，类型如下：

标识位 / DUP

**位置：**byte 1, bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中，标识位被做为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：

剩余长度（Remaining Length）

**位置：**byte 1。

固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0

2.2MQTT可变头 / Variable header

MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是做为包的标识：

很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

2.3Payload消息体

Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体：

介绍完基础理论部分，下面在Windows平台上搭建一个简单的MQTT应用，进行简单的应用，整体架构如下图所示；

3.1 MQTT服务器搭建

目前MQTT代理的主流平台有下面几个：

本文将使用Mosquitoo进行测试，进入到安装页面，下载自己电脑的系统所适配的程序；

安装成功之后，进入到安装路径下，找到mosquitto.exe；

按住Shift，右键鼠标点击空白处，然后打开Powershell，正常打开一个终端软件即可；

具体如下图所示；

3.2 MQTT Client

服务器搭建好了，下面就是开启客户端，进行发布和订阅，这样就可以传输相应的消息。

这里我使用的是自己编译了一个QT mqtt client程序，是基于Qt的官方库进行编译的，下面打开这个软件，下一期简单介绍一下如何完成这个客户端，并设置好相应参数：

然后订阅主题，就可以互相发送数据了，具体如下图所示；

结合前面的图片来看，整体的架构如下所示；

本文简单介绍了MQTT协议的工作原理，以及相应的协议格式，简单介绍了协议的一些细节，具体举出了相应的应用场景，作者水平和能力有限，文中难免存在错误和纰漏，请大佬不吝赐教。