一、簡述
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），是一種基於發佈/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級"通訊協議，該協議構建於TCP/IP協議上，由IBM在1999年發佈。MQTT最大優點在於，可以以極少的代碼和有限的帶寬，爲連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作爲一種低開銷、低帶寬佔用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。
MQTT是一個基於客戶端-服務器的消息發佈/訂閱傳輸協議。MQTT協議是輕量、簡單、開放和易於實現的，這些特點使它適用範圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯網（IoT）。其在，通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。
二、設計規範
由於物聯網的環境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設計原則：
- （1）精簡，不添加可有可無的功能；
- （2）發佈/訂閱（Pub/Sub）模式，方便消息在傳感器之間傳遞；
- （3）允許用戶動態創建主題，零運維成本；
- （4）把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；
- （5）把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在內；
- （6）支持連續的會話控制；
- （7）理解客戶端計算能力可能很低；
- （8）提供服務質量管理；
- （9）假設數據不可知，不強求傳輸數據的類型與格式，保持靈活性。
三、主要特性
MQTT協議工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議，它具有以下主要的幾項特性：
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（1）使用發佈/訂閱消息模式，提供一對多的消息發佈，解除應用程序耦合。
這一點很類似於XMPP，但是MQTT的信息冗餘遠小於XMPP，,因爲XMPP使用XML格式文本來傳遞數據。
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（2）對負載內容屏蔽的消息傳輸。
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（3）使用TCP/IP提供網絡連接。
主流的MQTT是基於TCP連接進行數據推送的，但是同樣有基於UDP的版本，叫做MQTT-SN。這兩種版本由於基於不同的連接方式，優缺點自然也就各有不同了。
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（4）有三種消息發佈服務質量：
"至多一次"，消息發佈完全依賴底層TCP/IP網絡。會發生消息丟失或重複。這一級別可用於如下情況，環境傳感器數據，丟失一次讀記錄無所謂，因爲不久後還會有第二次發送。這一種方式主要普通APP的推送，倘若你的智能設備在消息推送時未聯網，推送過去沒收到，再次聯網也就收不到了。
"至少一次"，確保消息到達，但消息重複可能會發生。
"只有一次"，確保消息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別。在計費系統中，消息重複或丟失會導致不正確的結果。這種最高質量的消息發佈服務還可以用於即時通訊類的APP的推送，確保用戶收到且只會收到一次。
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（5）小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是2字節），協議交換最小化，以降低網絡流量。
這就是爲什麼在介紹裏說它非常適合"在物聯網領域，傳感器與服務器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協議來傳遞消息再適合不過了。
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（6）使用Last Will和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。
Last Will：即遺言機制，用於通知同一主題下的其他設備發送遺言的設備已經斷開了連接。
Testament：遺囑機制，功能類似於Last Will。
四、MQTT協議原理
4.1 MQTT協議實現方式
實現MQTT協議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協議中有三種身份：發佈者（Publish）、代理（Broker）（服務器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發佈者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發佈者可以同時是訂閱者。
MQTT傳輸的消息分爲：主題（Topic）和負載（payload）兩部分：
- （1）Topic，可以理解爲消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）後，就會收到該主題的消息內容（payload）；
- （2）payload，可以理解爲消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。
4.2 網絡傳輸與應用消息
MQTT會構建底層網絡傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基於字節流的雙向傳輸。
當應用數據通過MQTT網絡發送時，MQTT會把與之相關的服務質量（QoS）和主題名（Topic）相關連。
4.3 MQTT客戶端
一個使用MQTT協議的應用程序或者設備，它總是建立到服務器的網絡連接。客戶端可以：
- （1）發佈其他客戶端可能會訂閱的信息；
- （2）訂閱其它客戶端發佈的消息；
- （3）退訂或刪除應用程序的消息；
- （4）斷開與服務器連接。
4.4 MQTT服務器
MQTT服務器以稱爲"消息代理"（Broker），可以是一個應用程序或一臺設備。它是位於消息發佈者和訂閱者之間，它可以：
- （1）接受來自客戶的網絡連接；
- （2）接受客戶發佈的應用信息；
- （3）處理來自客戶端的訂閱和退訂請求；
- （4）向訂閱的客戶轉發應用程序消息。
4.5 MQTT協議中的訂閱、主題、會話
一、訂閱（Subscription）
訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。
二、會話（Session）
每個客戶端與服務器建立連接後就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態交互。會話存在於一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。
三、主題名（Topic Name）
連接到一個應用程序消息的標籤，該標籤與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發送給訂閱所匹配標籤的每個客戶端。
四、主題篩選器（Topic Filter）
一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。
五、負載（Payload）
消息訂閱者所具體接收的內容。
4.6 MQTT協議中的方法
MQTT協議中定義了一些方法（也被稱爲動作），來於表示對確定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的數據或動態生成數據，這取決於服務器的實現。通常來說，資源指服務器上的文件或輸出。主要方法有：
- （1）Connect。等待與服務器建立連接。
- （2）Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作，並與服務器斷開TCP/IP會話。
- （3）Subscribe。等待完成訂閱。
- （4）UnSubscribe。等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。
- （5）Publish。MQTT客戶端發送消息請求，發送完成後返回應用程序線程。
五、MQTT協議數據包結構
在MQTT協議中，一個MQTT數據包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構成。MQTT數據包結構如下：
- （1）固定頭（Fixed header）。存在於所有MQTT數據包中，表示數據包類型及數據包的分組類標識。
- （2）可變頭（Variable header）。存在於部分MQTT數據包中，數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。
- （3）消息體（Payload）。存在於部分MQTT數據包中，表示客戶端收到的具體內容。
5.1 MQTT固定頭
固定頭存在於所有MQTT數據包中，其結構如下：
5.1.1 MQTT數據包類型
位置：Byte 1中bits 7-4。
相於一個4位的無符號值，類型、取值及描述如下：
5.1.2 標識位
位置：Byte 1中bits 3-0。
在不使用標識位的消息類型中，標識位被作爲保留位。如果收到無效的標誌時，接收端必須關閉網絡連接：
（1）DUP：發佈消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設置爲1，則在下面的變長中增加MessageId，並且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用於檢測消息重複發送。
（2）QoS：發佈消息的服務質量，即：保證消息傳遞的次數
Ø00：最多一次，即：<=1 Ø01：至少一次，即：>=1 Ø10：一次，即：=1 Ø11：預留
（3）RETAIN： 發佈保留標識，表示服務器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現，就把這消息推送給它，如果設有那麼推送至當前訂閱者後釋放。 5.1.3 剩餘長度（Remaining Length）
地址：Byte 2。
固定頭的第二字節用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節是可以擴展，其保存機制，前7位用於保存長度，後一部用做標識。當最後一位爲1時，表示長度不足，需要使用二個字節繼續保存。例如：計算出後面的大小爲0
5.2 MQTT可變頭
MQTT數據包中包含一個可變頭，它駐位於固定的頭和負載之間。可變頭的內容因數據包類型而不同，較常的應用是作爲包的標識：
很多類型數據包中都包括一個2字節的數據包標識字段，這些類型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。
5.3 Payload消息體
Payload消息體位MQTT數據包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息：
- （1）CONNECT，消息體內容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
- （2）SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
- （3）SUBACK，消息體內容是服務器對於SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回覆。
- （4）UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。