一、MQTT初探
1. MQTT是什么?
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)，是一种基于发布/订阅(Publish/Subscribe)模式的轻量级通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布，目前最新版本为v3.1.1。MQTT最大的优点在于可以以极少的代码和有限的带宽，为远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，MQTT在物联网、小型设备、移动应用等方面有广泛的应用。
当然，在物联网开发中，MQTT不是唯一的选择，与MQTT互相竞争的协议有XMPP和CoAP协议等，文章末尾会有一个比较和说明。
2. MQTT是哪一层的协议?
众所周知，TCP/IP参考模型可以分为四层：应用层、传输层、网络层、链路层。TCP和UDP位于传输层，应用层常见的协议有HTTP、FTP、SSH等。MQTT协议运行于TCP之上，属于应用层协议，因此只要是支持TCP/IP协议栈的地方，都可以使用MQTT。
3. MQTT消息格式
每条MQTT命令消息的消息头都包含一个固定的报头，有些消息会携带一个可变报文头和一个负荷。消息格式如下：
- 固定报文头 | 可变报文头 | 负荷
4. 固定报文头(Fixed Header)
MQTT固定报文头最少有两个字节，第一字节包含消息类型(Message Type)和QoS级别等标志位。第二字节开始是剩余长度字段，该长度是后面的可变报文头加消息负载的总长度，该字段最多允许四个字节。
剩余长度字段单个字节最大值为二进制0b0111 1111，16进制0x7F。也就是说，单个字节可以描述的最大长度是127字节。为什么不是256字节呢?因为MQTT协议规定，单个字节第八位(最高位)若为1，则表示后续还有字节存在，第八位起“延续位”的作用。
例如，数字64，编码为一个字节，十进制表示为64，十六进制表示为0×40。数字321(65+2*128)编码为两个字节，重要性最低的放在前面，第一个字节为65+128=193(0xC1)，第二个字节是2(0x02)，表示2×128。
由于MQTT协议最多只允许使用四个字节表示剩余长度(如表1)，并且最后一字节最大值只能是0x7F不能是0xFF，所以能发送的最大消息长度是256MB，而不是512MB。
表1
5. 可变报文头(Variable Header)
可变报文头主要包含协议名、协议版本、连接标志(Connect Flags)、心跳间隔时间(Keep Alive timer)、连接返回码(Connect Return Code)、主题名(Topic Name)等，后面会针对主要部分进行讲解。
6. 有效负荷(Payload)
Payload直译为负荷，可能让人摸不着头脑，实际上可以理解为消息主体(body)。
当MQTT发送的消息类型是CONNECT(连接)、PUBLISH(发布)、SUBSCRIBE(订阅)、SUBACK(订阅确认)、UNSUBSCRIBE(取消订阅)时，则会带有负荷。
二、MQTT的主要特性
1. MQTT的消息类型(Message Type)
固定报文头中的第一个字节包含连接标志(Connect Flags)，连接标志用来区分MQTT的消息类型。MQTT协议拥有14种不同的消息类型(如表2)，可简单分为连接及终止、发布和订阅、QoS 2消息的机制以及各种确认ACK。至于每一个消息类型会携带什么内容，这里不多阐述。
表2
2. 消息质量(QoS)
MQTT消息质量有三个等级，QoS 0，QoS 1和 QoS 2。
- QoS 0：最多分发一次。消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络，协议里没有定义应答和重试，消息要么只会到达服务端一次，要么根本没有到达。
- QoS 1：至少分发一次。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或发送设备异常，或者指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。
- QoS 2：只分发一次。这是最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。
通过下面的例子可以更深刻的理解上面三个传输质量等级。
比如目前流行的共享单车智能锁，智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器，发送单车的当前位置，如果服务器没收到也没关系，反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置，找到单车后需要进行解锁，这时候可以使用QoS level 1质量消息，手机App不断的发送解锁消息给单车锁，确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后，需要提交付款表单，可以使用QoS level 2质量消息，这样确保只传递一次数据，否则用户就会多付钱了。
3. 遗愿标志(Will Flag)
在可变报文头的连接标志位字段(Connect Flags)里有三个Will标志位：Will Flag、Will QoS和Will Retain Flag，这些Will字段用于监控客户端与服务器之间的连接状况。如果设置了Will Flag，就必须设置Will QoS和Will Retain标志位，消息主体中也必须有Will Topic和Will Message字段。
那遗愿消息是怎么回事呢?服务器与客户端通信时，当遇到异常或客户端心跳超时的情况，MQTT服务器会替客户端发布一个Will消息。当然如果服务器收到来自客户端的DISCONNECT消息，则不会触发Will消息的发送。
因此，Will字段可以应用于设备掉线后需要通知用户的场景。
4. 连接保活心跳机制(Keep Alive Timer)
MQTT客户端可以设置一个心跳间隔时间(Keep Alive Timer)，表示在每个心跳间隔时间内发送一条消息。如果在这个时间周期内，没有业务数据相关的消息，客户端会发一个PINGREQ消息，相应的，服务器会返回一个PINGRESP消息进行确认。如果服务器在一个半(1.5)心跳间隔时间周期内没有收到来自客户端的消息，就会断开与客户端的连接。心跳间隔时间最大值大约可以设置为18个小时，0值意味着客户端不断开。
5. MQTT其他特点
(1) 异步发布/订阅实现
发布/订阅模式解耦了发布消息的客户(发布者)与订阅消息的客户(订阅者)之间的关系，这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。
这个模式有以下好处：
- 发布者与订阅者只需要知道同一个消息代理即可;
- 发布者和订阅者不需要直接交互;
- 发布者和订阅者不需要同时在线。
由于采用了发布/订阅实现，MQTT可以双向通信。也就是说MQTT支持服务端反向控制设备，设备可以订阅某个主题，然后发布者对该主题发布消息，设备收到消息后即可进行一系列操作。
(2) 二进制格式实现
MQTT基于二进制实现而不是字符串，比如HTTP和XMPP都是基于字符串实现。由于HTTP和XMPP拥有冗长的协议头部，而MQTT固定报文头仅有两字节，所以相比其他协议，发送一条消息最省流量。
接下篇《工业物联网核心技术——MQTT(二)》
