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目录
- 🎄一、概述
- 🎄二、MQTT工作原理及术语
- 🎄三、MQTT的 QoS、Keepalive、Retained、LWT
- ✨3.1 QoS
- ✨3.2 Keepalive
- ✨3.3 Retained消息
- ✨3.1 LWT(遗言)
- 🎄四、MQTT的工具和开源库
- ✨4.1 MQTT Broker 相关工具、开源库
- ✨4.2 MQTT 客户端 相关工具、开源库
- 🎄五、总结
🎄一、概述
MQTT，全称是 Message Queuing Telemetry Transport(消息队列遥测传输协议)，是一种轻量级的发布/订阅消息传输协议，最初由IBM和Arcom（后来成为Eurotech的一部分）在1998年左右创建。MQTT是OASIS标准。最新版本是5.0，有多种格式可供选择。MQTT 3.1.1也是一个ISO标准（ISO/IEC 20922）。
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（IoT）、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
关于MQTT的更多资料可以到其官网查看：https://mqtt.org/
也可以参考 MQTT中文网。
MQTT的特点：
- 开放消息协议，简单易实现
- 轻量级、占用带宽低(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。)
- 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；
- 消息QoS（Quality of Service）支持，可靠传输保证（至多一次、最少一次、只有一次）；
- 可传输任意类型的数据
- 收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答；
🎄二、MQTT工作原理及术语
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(Publisher)、代理(Broker)、订阅者(Subscriber)。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理(Broker)是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
- MQTT 客户端：任何运行 MQTT 客户端库的应用或设备都是 MQTT 客户端，消息的发布者和订阅者都是客户端。例如，使用 MQTT 的即时通讯应用是客户端，使用 MQTT 上报数据的各种传感器是客户端，各种 MQTT 测试工具也是客户端。
- MQTT 代理(Broker)：MQTT Broker 是负责处理客户端请求的关键组件，包括建立连接、断开连接、订阅和取消订阅等操作，同时还负责消息的转发。一个高效强大的 MQTT Broker 能够轻松应对海量连接和百万级消息吞吐量，从而帮助物联网服务提供商专注于业务发展，快速构建可靠的 MQTT 应用。
- 发布/订阅模式：发布/订阅模式 与 客户端/服务器模式 的不同之处在于，它将发送消息的客户端（发布者）和接收消息的客户端（订阅者）进行了解耦。发布者和订阅者之间无需建立直接连接，而是通过 MQTT Broker 来负责消息的路由和分发。
1、发布方和订阅方都建立了到Broker的TCP连接；
2、订阅方告知Broker它要订阅的Topic；
3、发布方将消息发送到Broker，并指定消息主题（Topic）；
4、Broker接收到消息后，检测哪些订阅方订阅了对应的Topic，然后将消息发送到订阅方；
5、订阅方从Broker获取消息；
6、如果某个订阅方处于离线状态，Broker可以先保存对应的消息，当订阅方下次连接到Broker的时候，再将之前的消息发送给订阅方； - 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(Topic)：MQTT 消息的标签，MQTT 协议根据主题来转发消息。主题通过
/来区分层级，类似于 URL 路径，例如：chat/room/1、sensor/+/temperature；
MQTT 主题支持以下两种通配符：+ 和 #。通配符主题只能用于订阅，不能用于发布。
+：表示单层通配符，例如 a/+ 匹配 a/x 或 a/y。
#：表示多层通配符，例如 a/# 匹配 a/x、a/b/c/d。 - 负载(Payload)：消息订阅者所具体接收的内容。
🎄三、MQTT的 QoS、Keepalive、Retained、LWT
✨3.1 QoS
QoS，全称是Quality of Service(服务质量)。
MQTT协议设计初衷是提供一套保证消息稳定传输的机制，用于网络带宽窄，信号不稳定环境下的数据传输，这套机制包括消息应答，存储和重传。在这套机制下提供了三种不同层次的QoS（Quality of Service），QoS是 发送方和 接收方 之间达成的协议，而不是Publisher和Subscriber之间达成的协议。
MQTT有以下三种QoS：
- QoS 0：消息最多传送一次。如果当前客户端不可用，它将丢失这条消息。
- QoS 1：消息至少传送一次。
- QoS 2：消息只传送一次。
关于QoS的实现可以参考文章：
MQTT协议QoS2 准确一次送达的实现
MQTT协议零基础快速入门
✨3.2 Keepalive
在实际使用MQTT协议时，无论是Broker还是Client都需要及时感知到MQTT是否断开；MQTT是基于TCP协议的应用层协议，理论上TCP断开时会通知上层应用，但是TCP协议有个半打开连接的问题，这种状态下，一段的TCP连接已经失效，但是另一端并不知情，需要很长时间才能感知到对端连接已经断开；因此仅仅依赖TCP层的连接状态监测是不够的，于是MQTT设计了一套keepalive机制，
MQTT协议约定：在1.5*keepalive时间间隔内，如果Broker没有收到来自Client的任何数据包，Broker就认为和Client的连接断开；同理Client在这个时间间隔内没有收到Broker的任何数据包，Client也会认为他和Broker的连接断开；
MQTT协议设计了一对PINGREQ/PINGRESP数据包，当Broker和Client之间没有任何数据交互时，可以通过这对数据包满足keepalive的约定和网络状态监测；
keepalive特性
- 如果一个Keepalive时间间隔内，Client和Broker有过数据包传输，Client就没有必要再使用PINGREQ数据包了；
- Keepalive的值时有Client在发送CONNECT数据包时指定，不同的Client可以指定不同的值；
- Keepalive的最大值是18时12分15秒
- Keepalive 的值为0时代表不使用Keepalive机制
✨3.3 Retained消息
会有这样一种场景，Publisher发布了一个消息后，Subscriber订阅了这个主题，那么这个 Subscriber就不会收到在它订阅之前Publisher发布的消息。
Retained消息就是为了解决这个问题，Retained消息是指在PUBLISH数据包中将Retained标识设为1的消息，Broker收到这样的PUBLISH数据包后，将会为该主题保存这个消息，当一个新的订阅者订阅该主题时，Broker会将这个消息发送给订阅者。
Retained消息特点
- 一个Topic只有一个Retained消息，发布新的Retained消息将覆盖旧的Retained消息；
- 如果订阅者使用通配符订阅主题，会收到所有匹配主题的Retained消息；
- 只有新的订阅者会收到Retained消息，如果订阅者重复订阅一个主题，会被当做新的订阅者收到Retained消息；
- 向主题发布一个payload长度为0的Retained消息就可以删除这个主题的Retained消息；
✨3.1 LWT(遗言)
LWT全称为Last Will and Testament(遗言)，包括遗言主题，遗言QoS，遗言消息等，具体见MQTT协议，遗言具有以下特点：
- 遗言的相关设置是建立连接时，在CONNECT数据包里面指定的；
- 遗言用于非正常断开连接的情况，当Broker检测到Client非正常的断开连接时，就会向Client的遗愿主题发布一条消息；
- Client发布DISCONNECT数据包断开连接，属于正常断开，不会触发LWT机制，而且Broker会丢掉Client连接时指定的LWT参数
🎄四、MQTT的工具和开源库
✨4.1 MQTT Broker 相关工具、开源库
MQTT Broker 是MQTT协议的核心，主要作用是接收发布者的消息，然后转发给对应的订阅者。Broker可以对Clinet接入进行授权，并对Client进行权限控制。
常用的C语言编写的 MQTT Broker 开源库有Mosquitto，其Github路径：https://github.com/eclipse/mosquitto
更多MQTT Broker 开源库可以查看：https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/servers。
如果学习MQTT需要Broker环境，可以通过这些开源库自建，也可以用各大云平台提供的Broker服务，如阿里云、腾讯云。
✨4.2 MQTT 客户端 相关工具、开源库
MQTT客户端工具：paho.mqtt-spy，其Github路径：https://github.com/eclipse/paho.mqtt-spy
实现MQTT客户端的开源库：
C语言编程的可以选择：paho.mqtt.c，其Github路径：https://github.com/eclipse/paho.mqtt.c
C++编程的可以选择：paho.mqtt.cpp，其Github路径：https://github.com/eclipse/paho.mqtt.cpp
🎄五、总结
👉本文介绍了MQTT是什么，然后介绍MQTT的工作原理及术语：MQTT客户端、MQTT Broker、订阅/发布模式等。
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参考：
MQTT 协议入门：轻松上手，快速掌握核心要点
MQTT入门详解
MQTT协议入门
