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MQTT协议梯影--技术部：李栋（MessageQueuingTelemetryTransport，消息队列遥测传输协议）大纲1、什么是mqtt协议7、主题3、mqtt特性4、MQTT协议原理5、MQTT协议数据包结构6、发布/订阅模式2、物联网协议有哪些8、服务质量9、遗嘱消息10、MQTT代理什么是MQTT协议•MQTT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，可以以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。作为一种低开销、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。•2014年发布的MQTTv3.1.1是当前MQTT协议的最新版本。除标准版外，还有一个简化版MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备。大纲2、物联网协议有哪些7、主题3、mqtt特性4、MQTT协议原理5、MQTT协议数据包结构6、发布/订阅模式1、什么是mqtt协议8、服务质量9、遗嘱消息10、MQTT代理四大协议的基本介绍ProtocolCoAPXMPPRESTfulHTTPMQTTTransportUDPTCPTCPTCPMessagingRequest/ResponsePublish/SubscribeRequest/ResponseRequest/ResponsePublish/SubscribeRequest/Response2G,3G,4GSuitability(1000snodes)ExcellentExcellentExcellentExcellentLLNSuitability(1000snodes)ExcellentFairFairFairComputeResources10KsRAM/Flash10KsRAM/Flash10KsRAM/Flash10KsRAM/FlashSuccessStoriedUtilityFieldAreaNetworksRemotemanagementofconsumerwhitegoodsSmartEnergyProfile2(premiseenergymanagement/homeservices)ExtendingenterprisemessagingintoIoTapplications大纲3、mqtt特性7、主题2、物联网协议有哪些4、MQTT协议原理5、MQTT协议数据包结构6、发布/订阅模式1、什么是mqtt协议8、服务质量9、遗嘱消息10、MQTT代理MQTT协议工作在低带宽、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，它具有以下主要的几项特性：•（1）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。•这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。•（2）对负载内容屏蔽的消息传输。•（3）使用TCP/IP提供网络连接。•主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。MQTT特性：•（4）有三种消息发布服务质量：•“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。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。•“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。•“只有一次”，确保消息到达一次。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。MQTT特性：•（5）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。•这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集”，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。•（6）使用LastWill和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。•LastWill：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。•Testament：遗嘱机制，功能类似于LastWill。大纲4、MQTT协议原理7、主题2、物联网协议有哪些3、mqtt特性5、MQTT协议数据包结构6、发布/订阅模式1、什么是mqtt协议8、服务质量9、遗嘱消息10、MQTT代理MQTT协议原理MQTT协议原理-协议实现方式•实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：•发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。•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。MQTT协议原理-网络传输与应用消息•MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。•当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。MQTT协议原理-客户端•一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：•（1）发布其他客户端可能会订阅的信息；•（2）订阅其它客户端发布的消息；•（3）退订或删除应用程序的消息；•（4）断开与服务器连接。MQTT协议原理-服务器•MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：•（1）接受来自客户的网络连接；•（2）接受客户发布的应用信息；•（3）处理来自客户端的订阅和退订请求；•（4）向订阅的客户转发应用程序消息。MQTT协议原理-订阅、主题、会话•MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：•（1）Connect。等待与服务器建立连接。•（2）Disconnect。等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。•（3）Subscribe。等待完成订阅。•（4）UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。•（5）Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。大纲5、MQTT协议数据包7、主题2、物联网协议有哪些3、mqtt特性4、MQTT协议原理6、发布/订阅模式1、什么是mqtt协议8、服务质量9、遗嘱消息10、MQTT代理MQTT协议数据包结构•在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixedheader）、可变头（Variableheader）、消息体（payload）三部分构成。MQTT数据包结构如下：固定头（Fixedheader）•第一个字节:包括消息类型和标识（DUP，QoSlevel，RETAIN）字段•第二个字节:（至少一个字节）包括剩余的信息字段•所有的数据排序规则是顺序值越大越优先。1个16bit的字母出现在最重要的字节，后面是最不重要的字节。可变报头Variableheader•报文标识符消息体•MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷。对于PUBLISH来说有效载荷就是应用消息。以下是支持有效负载的协议。大纲6、发布/订阅模式7、主题2、物联网协议有哪些3、mqtt特性4、MQTT协议原理5、MQTT协议数据包1、什么是mqtt协议8、服务质量9、遗嘱消息10、MQTT代理发布与订阅模式•打个比方，你打电话给朋友，一直要等到朋友接电话了才能够开始交流，是一个典型的同步请求/回答的场景；而给一个好友邮件列表发电子邮件就不一样，你发好电子邮件该干嘛干嘛，好友们到有空了去查看邮件就是了，是一个典型的异步发布/订阅的场景。•熟悉编程的同学一定非常熟悉这种设计模式了，因为它带来了这些好处：发布者与订阅者不用了解彼此，只要认识同一个消息代理即可。•发布者和订阅者不需要交互，发布者无需等待订阅者确认而导致锁定。•发布者和订阅者不需要同时在线，可以自由选择时间来消费消息。大纲7、主题6、发布/订阅模式2、物联网协议有哪些3、mqtt特性4、MQTT协议原理5、MQTT协议数据包1、什么是mqtt协议8、服务质量9、遗嘱消息10、MQTT代理主题与订阅机制•MQTT是通过主题对消息进行分类的，本质上就是一个UTF-8的字符串，不过可以通过反斜杠表示多个层级关系。主题并不需要创建，直接使用就是了。•主题还可以通过通配符进行过滤。其中，层级数量没有限制不能包含任何的下文中提到的特殊符号（/、+、#），必须至少包含一个字符–/A”和“A”是不同的。–“A”和“A/”是不同的•层级分隔符/•只能匹配本级不能匹配上级。例如，“sport/+”不匹配“sport•多层通配符#•单层通配符+•一个Subsribe请求可订阅多个Topic（节省带宽，多订阅尽量用一次请求）。大纲8、服务质量7、主题2、物联网协议有哪些3、mqtt特性4、MQTT协议原理5、MQTT协议数据包1、什么是mqtt协议6、发布/订阅模式9、遗嘱消息10、MQTT代理QoS0•级别0：尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息，但是遇到意外并不会重试。QoS1•级别1：至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失，消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次，当然可能造成重复消息。QoS2•级别2：恰好一次。保证这种语义肯待会减少并发或者增加延时，不过丢失或者重复消息是不可接受的时候，级别2是最合适的。大纲9、遗嘱消息7、主题2、物联网协议有哪些3、mqtt特性4、MQTT协议原理5、MQTT协议数据包1、什么是mqtt协议6、发布/订阅模式8、服务质量10、MQTT代理遗嘱消息•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。•当客户端断开连接时，发送给相关的订阅者的遗嘱消息。以下情况下会发送WillMessage：•服务端发生了I/O错误或者网络失败；•客户端在定义的心跳时期失联；•客户端在发送下线包之前关闭网络连接；•服务端在收到下线包之前关闭网络连接。使用场景•在客户端A进行连接时候，遗嘱消息设定为”offline“，客户端B订阅这个遗嘱主题。当A异常断开时，客户端B会收到这个”offline“的遗嘱消息，从而知道客户端A离线了。高级使用场景•这里介绍一下如何将Retained消息与Will消息结合起来进行使用。•客户端A遗嘱消息设定为”offline“，该遗嘱主题与一个普通发送状态的主题设定成同一个A/status；•当客户端A连接时，向主题A/