[网络编程]mqtt概念&数据包

前言
1. MQTT 简介
2. MQTT 通信模型
3. MQTT 协议数据包结构
参考

前言

本笔记记录 MQTT 相关概念。

原文：李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14994943.html

1. MQTT 简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是运行在 TCP/IP 中的应用层协议，主流依赖于 TCP 协议。（也有依赖于 UDP 的）

特点：

开放消息协议，简单易实现。
发布订阅模式，一对多消息发布。
基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。
1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。
消息QoS支持，可靠传输保证。

特性：

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。
对负载内容屏蔽的消息传输。
使用TCP/IP提供网络连接。
有三种消息发布服务质量：
1. QoS0：最多发送一次消息，在消息发送出去后，接收者不会发送回应，发送者也不会重发消息。
2. QoS1：最少发送一次消息（消息最少需要送达一次，也有可送达多次），QoS 1的PUBLISH报文的可变报头中包含一个报文标识符，需要PUBACK报文确认。即需要接收者返回PUBACK应答报文。
3. QoS2：这是最高等级的服务质量，消息丢失和重复都是不可接受的，只不过使用这个服务质量等级会有额外的开销。
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。
使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制：
- Last Will：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Last Will。

2. MQTT 通信模型

通信模型：

2.1 MQTT 协议

MQTT 协议中有三种身份：

发布者（Publish）：客户端。消息发布者也可以同时是订阅者。
服务器（Broker）：服务端。
订阅者（Subscribe）：客户端。

MQTT 传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）：

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）。
- 发布者与订阅者可以通过主题名字进行匹配的。
payload：可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

2.2 MQTT 协议中的订阅&主题&会话

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。

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。

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。

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。

负载（Payload）：

消息订阅者所具体接收的内容。

2.3 MQTT 协议中的方法

主要方法有：

Connect：等待与服务器建立连接。
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。
Subscribe：等待完成订阅。
UnSubscribe：等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
Publish：MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

3. MQTT 协议数据包结构

一个MQTT数据包由三部分组成：

固定报头（Fixed header）：表示数据包类型及数据包的分组类标识。
可变报头（Variable header）：数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
有效载荷（payload）：表示客户端收到的具体内容。

3.1 固定报头

固定报头组成：

控制报文的类型 [7:4]：

4 bit，共16种。（0、15被系统保留了）

类型	值	说明
Reserved	0	系统保留
CONNECT	1	客户端请求连接服务端
CONNACK	2	连接报文确认
PUBLISH	3	发布消息
PUBACK	4	消息发布收到确认（QoS 1）
PUBREC	5	发布收到（QoS2）
PUBREL	6	发布释放（QoS2）
PUBCOMP	7	消息发布完成（QoS2）
SUBSCRIBE	8	客户端订阅请求
SUBACK	9	订阅请求报文确认
UNSUBSCRIBE	10	客户端取消订阅请求
UNSUBACK	11	取消订阅报文确认
PINGREQ	12	心跳请求
PINGRESP	13	心跳响应
DISCONNECT	14	客户端断开连接
Reserved	15	系统保留

控制报文类型的标志位 [3:0]：

目前除了 PUBLISH类型报文 以外，其他报文的标志位均为系统保留。
PUBLISH类型报文的标志位：
- bit3：控制报文的重复分发标志（DUP）。
- bit2-bit1：服务质量等级。
  - 00：QoS0。
  - 01：QoS1。
  - 10：QoS2。
  - 11：预留。
- bit0：PUBLISH 报文的保留标志。

剩余长度：（第二byte开始）

用于记录剩余报文长度的，表示当前的消息剩余的字节数。包括可变报头和有效载荷区域（如果存在），但剩余长度不包括用于编码剩余长度字段本身的字节数。
剩余长度使用变长编码方案：（大端模式）
- 每个字节的 [bit7] 表示剩余长度是否还有更多字节表示。
  - 0：无。即是本字节为最后也给字节标识。
  - 1：有。
- 每个字节的 [6:0]bit 表示编码数据长度。
- 如：127：只需要一个字节即可：0x7F。128：需要两个字节：0x80、0x01。

3.2 可变报头

只有某些MQTT报文才有可变报头。

位于固定报头和有效负载之间。

可变报头的内容会根据报文类型的不同而有所不同。

3.3 有效载荷

有效载荷也是存在与某些报文中，不同的报文有效载荷也是不一样的。

Payload有效载荷位于MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：

CONNECT：主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
SUBSCRIBE：是一系列的要订阅的主题以及QoS。
SUBACK：是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
UNSUBSCRIBE：是要订阅的主题。

参考

链接：

MQTT：https://mqtt.org/
MQTT手册：http://mqtt.p2hp.com/
项目网站：https://www.eclipse.org/paho/
Eclipse项目信息：https://projects.eclipse.org/projects/iot.paho
mosquitto：http://mosquitto.org/documentation/
ubuntu安装mosquitto：https://www.jianshu.com/p/37f7ee7ead65
CONNECT报文格式：http://www.blogjava.net/yongboy/archive/2014/02/09/409630.html