物联网协议MQTT协议的实现

概述

MQTT是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和制动器之间通信的桥梁。

MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议。有以下特点：

使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布

使用TCP/IP提供网络连接

小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量，传输的内容最大为256MB。

使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

1.MQTT协议实现方式

MQTT系统由与服务器通信的客户端组成，通常称服务器为“代理Broker”。客户可以是信息发布者Publish或订阅者Subscribe。每个客户端都可以连接到代理。

信息按主题层次结构组织。当发布者具有要分发的新数据时，它会将包含数据的控制消息发送到连接的代理。然后，代理将信息分发给已订阅该主题的任何客户端。发布者不需要有关于订阅者数量或位置的任何数据，而订阅者又不必配置有关发布者的任何数据。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分： （1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）； （2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

2. MQTT协议中的订阅、主题、会话

2.1订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

2.2会话（Session）

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

2.3主题名（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。 系统主题：通过定义$SYS开头的主题可以查看一些系统信息，如客户端连接数量等， 详细介绍：https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/SYS-Topics

2.4主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。 多级匹配符 # 单级匹配符 + 更多主题讨论，请移步github wiki https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/topic_format

2.5负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

3.保留消息和最后遗嘱

保留消息 Retained Messages

MQTT中，无论是发布还是订阅都不会有任何触发事件。 1个Topic只有唯一的retain消息，Broker会保存每个Topic的最后一条retain消息。 发布消息时把retain设置为true，即为保留信息。每个Client订阅Topic后会立即读取到retain消息。如果需要删除retain消息，可以发布一个空的retain消息，因为每个新的retain消息都会覆盖最后一个retain消息。

最后遗嘱 Last Will & Testament

MQTT本身就是为信号不稳定的网络设计的，所以难免一些客户端会无故的和Broker断开连接。 当客户端连接到Broker时，可以指定LWT，Broker会定期检测客户端是否有异常。 当客户端异常掉线时，Broker就往连接时指定的topic里推送当时指定的LWT消息。

4.消息服务质量

有三种消息发布服务质量qos(Quality of Service)：

4.1“至多一次”

至多一次

消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。

4.2“至少一次”

至少一次

PUBACK消息是对QoS级别为1的PUBLISH消息的响应.PUBACK消息由服务器发送以响应来自发布端的PUBLISH消息，订阅端也会响应来自服务器的PUBLISH消息。当发布端收到PUBACK消息时，它会丢弃原始消息，因为它也被服务器接收（并记录）。

如果一定时间内，发布端或服务器没有收到PUBACK消息，则会进行重发。这种方式虽然确保了消息到达，但消息重复可能会发生。

4.3“只有一次”

只有一次

PUBREC消息是对QoS级别为2的PUBLISH消息的响应。它是QoS级别2协议流的第二个消息。 PUBREC消息由服务器响应来自发布端的PUBLISH消息，或订阅端响应来自服务器的PUBLISH消息。发布端或服务器收到PUBREC消息时，会响应PUBREL消息。

PUBREL消息是从发布端对PUBREC的响应，或从服务器对订阅端PUBREC消息的响应。 这是QoS 2协议流中第三个消息。当服务器从发布者收到PUBREL消息时，服务器会将PUBLISH消息发送到订阅端，并发送PUBCOMP消息到发布端。 当订阅端收到来自服务器的消息PUBREL时，使得消息可用于应用程序并将PUBCOMP消息发送到服务器。

PUBCOMP消息是服务器对来自发布端的PUBREL消息的响应，或订阅者对来自服务器的PUBREL消息的响应。 它是QoS 2协议流程中的第四个也是最后一个消息。当发布端收到PUBCOMP消息时，它会丢弃原始消息，因为它已经将消息发给了服务器。

在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。