一.MQTT简介

        什么是MQTT？先从名字来看，Message Queuing Telemetry Transport：消息队列遥测传输。《MQTT 协议规范中文版》中的解释是：

MQTT 是一种基于客户端服务端架构的发布 / 订阅模式的消息传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、 简单、规范，易于实现。这些特点使得它对很多场景来说都是很好的选择，特别是对于受限的环境如机器与 机器的通信（ M2M ）以及物联网环境（ IoT ）。

         MQTT协议是应用层协议，其最大的优点是以极少的代码和有限的带宽（低开销、低带宽），为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。

二.MQTT主要特性

①使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布。

②基于TCP/IP提供网络连接（也有UDP版本）。

③根据消息的重要性不同设置不同的服务质量等级QoS。

④开销小，带宽占用小。

⑤使用 will 遗嘱机制来通知客户端异常断线。

⑥基于主题发布/订阅消息，对负载内容屏蔽的消息传输。

⑦支持心跳机制。

三.MQTT协议

MQTT Version 3.1.1 协议资料

1.MQTT 通信基本原理

        在MQTT中客户端既可以作为消息的发布者，也可以作为消息的订阅者。在下图中，手机和电脑客户端成为了 MQTT 信息的发布者而开发板则成为了 MQTT 信息的订阅者。

2.MQTT连接服务端

        在MQTT中想要实现客户端的通信，必须借助服务端，所以必须先和服务器建立连接。其具体连接步骤分为以下两步：

①客户端向服务端发送一个请求连接的CONNECT报文，也就是发送了一个CONNECT数据包;

②MQTT服务端收到连接请求后，会向客户端发送连接确认的CONNACK报文，也就是 CONNACK 数据包。

        CONNECT报文：

        客户端发的的CINNECT报文必须符合规范，否则服务端会拒绝连接，CONNECT报文的主要内容如下：

        可变头（Variable header）：存在于部分类型的 MQTT 报文中，报文的类型决定了可变头是否存在及其具体的内容。  

        消息体（Payload）：存在于部分类型的 MQTT 报文中，payload 就是消息载体的意思。

        clientId--客户端 id

        clientId 是 MQTT 客户端的标识，也就是 MQTT 客户端的名字，MQTT 服务端用该标识来识别客户端。因此 clientId 必须是独立的，如果两个MQTT客户端使用相同clientId 标识，服务端会把它们当成同一个客户端来处理。通常 clientId 是由一串字符所构成的。

        keepAlive--心跳时间间隔

        MQTT协议使用了类似心跳检测的方法来判断客户端是否在线。客户端可以定时向服务端发送一个心跳数据包来告知服务端，当前客户端在线，服务端在收到客户端的心跳数据包后，会回复一条消息，这条回复消息被称作心跳响应。keepAlive的单位为秒。

        cleanSession--清除会话

        这是一个布尔值，cleanSession 标志可用于控制客户端与服务端在连接和断开连接时的行为。连接服务端时 cleanSession=0，当 MQTT 客户端由离线（与服务端断开连接）再次上线时，离线期间发给客户端的所有 QoS>0 的消息仍然可以接收到； 如果连接服务端时cleanSession=1，当 MQTT 客户端由离线（与服务端断开连接）再次上线时，离线期间发给客户端的所有消息一律接收不到，并且服务器端也不会记住客户端在线期间订阅的主题。

        也就是说：cleanSession 设置为 1，表示此次连接将创建一个新的临时会话，在客户端断开后，这个会话会自动销毁。而 cleanSession 设置为 0，表示创建一个持久性会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销，并且会记住该客户端订阅的主题。

        CONNACK 报文：

         CONNACK报文主要内容如下：

 returnCode--连接返回码

        当服务端收到了客户端的连接请求后，会向客户端发送 returnCode(连接返回码)，用来说明连接情况。 如果成功连接，则返回“0”。如果失败，则返回一个非零的数字：

"home/sensor/led/brightness"

3）主题通配符 

         单级通配符：+

        单级通配符可以匹配任意一个主题级别：

"home/sensor/+/status"

        当客户端订阅了上述主题之后，将会收到以下主题的信息内容：

"home/sensor/led/status"
"home/sensor/key/status"
"home/sensor/beeper/status"
......

        多级通配符：#

        多级通配符自然是可以匹配任意数量个主题级别：

"home/sensor/#"

        当客户端订阅了上面这个主题之后，便可以收到如下注意的信息：

"home/sensor/led"
"home/sensor/key"
"home/sensor/beeper"
"home/sensor/led/status"
"home/sensor/led/brightness"
"home/sensor/key/status"
"home/sensor/beeper/status"
......

6.QoS

        QoS(Quality of Service)也就是服务质量，一个物联网通信中有些信息非常重要，我 们需要确保这类重要信息可以准确无误的发送和接收，而有些信息则相对不那么重要，这类信息如果在传输中丢失不会影响系统的运行；QoS就用来定义消息的重要性，并提供相对应的服务。

        MQTT 设计了一套保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传。在这套机制下，提供了三种不同级别的 QoS（Quality of Service），也就是 MQTT 协议有三种服务质量等级：        

        QoS = 0：最多发一次：

        0 是服务质量 QoS 的最低级别。当 QoS 为 0 级时，MQTT 协议并不保证所有信息都能得以传输。也就是说，QoS=0 的情况下，MQTT 服务端和客户端不会对消息传输是否成功进行确认和检查。消息能否成功传输全看网络环境是否稳定。也就是说发送一次之后就不管了，最多一次，不管发送是否失败！发送端一旦发送完消息后，就完成任务了，发送端不会检查发出的消息能否被正确接收到。在网络环境稳定的情况下，信息传输一般是不会出现问题的。这完全依赖于 TCP 重传机制，如果网络 不好，TCP 的重传也不是 100%可靠，加上 MQTT 是发送方发出去的消息是依赖代理服务器完成转发的，所以消息最多一次。

        QoS = 1：最少发一次：

        当 QoS 级别为 1 时，发送端在消息发送完成后，会检查接收端是否已经成功接收到了消息。发送端向接收端发送 PUBLISH 报文，当接收端收到 PUBLISH 报文后会向发送端回复PUBACK报 文，如果发送端收到 PUBACK 报文，那么它就知道消息已经被接收端成功接收！ 假如过了一段时间后，发送端没有收到 PUBACK 报文，那么发送端会再次发送消息（发送PUBLISH 报文），然后再次等待接收端的 PUBACK 确认报文。因此，当 QoS=1 时，发送端在一定时间内没有收到接 收端的 PUBACK 确认报文，会重复发送同一条消息。 所以 QoS=1 时，每一条消息就至少会传输一次，但也可能会重复传输多次。当发送端重复发送一条消 息时，会将 PUBLISH 报文中的 dup 标志设置为 true。这就是为了告诉接收端，此消息 为重复发送的消息，那么我们的 MQTT 客户端在接收到消息之后，可以去判断 dup 标志以确定此消息是否 为重复消息，应用程序应该对此作出相应的处理。

        QoS = 2：保证收一次：

        MQTT 服务质量最高级是 2 级，即 QoS=2。当 MQTT 服务质量为 2 级时，MQTT 协议可以确保接收端只接收一次消息（注意是只接收到一次，在 QoS=1 的情况下，接收端接收到消息的次数可能不止一次：>=1）

①、首先发送端向接收端发送 PUBLISH 报文；