Mqtt协议规范

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MQTT（Message Queue Telemetry Transport）,遥测传输协议，提供订阅/发布模式，更为简约、轻量，易于使用，针对受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定），可以简单概括为物联网打造，官方总结特点如下：

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。
2. 对负载内容屏蔽的消息传输。
3. 使用 TCP/IP 提供网络连接。
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。
    “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。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。
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。
6. 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。 

                                                                                         
消息格式


                                                                                                                                                                                                                             
一：固定头部
ＭＱＴＴ的消息包含着一个有两个字节大小的固定头部

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
byte 1	Message Type				DUP flag	QoS level		RETAIN
byte 2	Remaining Length

二：消息类型（Message Tpe）

消息类型(4-7)，使用4位二进制表示，可代表16种消息类型：

Mnemonic	Enumeration	Description
Reserved	0	Reserved----保留待用
CONNECT	1	Client request to connect to Server----客户端连接请求
CONNACK	2	Connect Acknowledgment----连接反馈
PUBLISH	3	Publish message-----发布消息
PUBACK	4	Publish Acknowledgment-----发布反馈
PUBREC	5	Publish Received (assured delivery part 1)----发布消息被接收
PUBREL	6	Publish Release (assured delivery part 2)
PUBCOMP	7	Publish Complete (assured delivery part 3)----发布消息完成
SUBSCRIBE	8	Client Subscribe request----客户端订阅
SUBACK	9	Subscribe Acknowledgment----订阅反馈
UNSUBSCRIBE	10	Client Unsubscribe request----客户端解除订阅
UNSUBACK	11	Unsubscribe Acknowledgment----接触订阅反馈
PINGREQ	12	PING Request-------心跳检测
PINGRESP	13	PING Response----心跳反馈
DISCONNECT	14	Client is Disconnecting----客户端断开连接
Reserved	15	Reserved----保留待用

三：DUP flag（打开标志）

保证消息可靠传输，默认为0，只占用一个字节，表示第一次发送。不能用于检测消息重复发送等。只适用于客户端或服务器端尝试重发PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息，注意需要满足以下条件：

 当QoS > 0
 消息需要回复确认 

此时，在可变头部需要包含消息ID。当值为1时，表示当前消息先前已经被传送过。

四：QoS(Quality of Service,服务质量)

使用两个二进制表示PUBLISH类型消息：

QoS value	bit 2	bit 1	Description
0	0	0	至多一次	发完即丢弃	<=1
1	0	1	至少一次	需要确认回复	>=1
2	1	0	只有一次	需要确认回复	=1
3	1	1	待用，保留位置

五：RETAIN(保持)

仅针对PUBLISH消息。不同值，不同含义：

1：表示发送的消息需要一直持久保存（不受服务器重启影响），不但要发送给当前的订阅者，并且以后新来的订阅了此Topic name的订阅者会马上得到推送。

备注：新来乍到的订阅者，只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。

0：仅仅为当前订阅者推送此消息。

假如服务器收到一个空消息体(zero-length payload)、RETAIN = 1、已存在Topic name的PUBLISH消息，服务器可以删除掉对应的已被持久化的PUBLISH消息。

六：QoS level决定的消息流

QoS level为Quality of Service level的缩写，翻译成中文，服务质量等级。

MQTT 3.1协议在"4.1 Quality of Service levels and flows"章节中，仅仅讨论了客户端到服务器的发布流程，不太完整。因为决定消息到达率，能够提升发送质量的，应该是服务器发布PUBLISH消息到订阅者这一消息流方向。

QoS level 0

至多发送一次，发送即丢弃。没有确认消息，也不知道对方是否收到。

Client	Message and direction	Server
QoS = 0	PUBLISH  ---------->	Action: Publish message to subscribers then Forget Reception: <=1

针对的消息不重要，丢失也无所谓。

网络层面，传输压力小。

QoS level 1

所有QoS level 1都要在可变头部中附加一个16位的消息ID。

SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE消息使用QoS level 1。

针对消息的发布，Qos level 1，意味着消息至少被传输一次。

发送者若在一段时间内接收不到PUBACK消息，发送者需要打开DUB标记为1，然后重新发送PUBLISH消息。因此会导致接收方可能会收到两次PUBLISH消息。针对客户端发布消息到服务器的消息流：

Client	Message and direction	Server
QoS = 1 DUP = 0 Message ID = x Action: Store message	PUBLISH  ---------->	Actions: Store message Publish message to subscribers Delete message Reception: >=1
Action: Discard message	PUBACK  <----------	Message ID = x

针对服务器发布到订阅者的消息流：

Server	Message and direction	Subscriber
QoS = 1 DUP = 0 Message ID = x	PUBLISH  ---------->	Actions: Store message Make message available                        Reception: >=1
	PUBACK  <----------	Message ID = x

发布者（客户端/服务器）若因种种异常接收不到PUBACK消息，会再次重新发送PUBLISH消息，同时设置DUP标记为1。接收者以服务器为例，这可能会导致服务器收到重复消息，按照流程，broker（服务器）发布消息到订阅者（会导致订阅者接收到重复消息），然后发送一条PUBACK确认消息到发布者。

在业务层面，或许可以弥补MQTT协议的不足之处：重试的消息ID一定要一致接收方一定判断当前接收的消息ID是否已经接受过

但一样不能够完全确保，消息一定到达了。

QoS level 2

仅仅在PUBLISH类型消息中出现，要求在可变头部中要附加消息ID。

级别高，通信压力稍大些，但确保了仅仅传输接收一次。

先看协议中流程图，Client -> Server方向，会有一个总体印象：

Client	Message and direction	Server
QoS = 2 DUP = 0 Message ID = x Action: Store message	PUBLISH  ---------->	Action(a) Store message or Actions(b): Store message ID Publish message to subscribers
	PUBREC  <----------	Message ID = x
Message ID = x	PUBREL  ---------->	Actions(a): Publish message to subscribers Delete message or Action(b): Delete message ID
Action: Discard message	PUBCOMP  <----------	Message ID = x

Server -> Subscriber：

Server	Message and direction	Subscriber
QoS = 2 DUP = 0 Message ID = x	PUBLISH  ---------->	Action: Store message
	PUBREC  <----------	Message ID = x
Message ID = x	PUBREL  ---------->	Actions: Make message available
	PUBCOMP  <----------	Message ID = x

Server端采取的方案a和b，都包含了何时消息有效，何时处理消息。两个方案二选一，Server端自己决定。但无论死采取哪一种方式，都是在QoS level 2协议范畴下，不受影响。若一方没有接收到对应的确认消息，会从最近一次需要确认的消息重试，以便整个（QoS level 2）流程打通。