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1、MQTT簡(jiǎn)介

MQTT(消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸)是ISO 標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。它工作在 TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計(jì)的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議，為此，它需要一個(gè)消息中間件?。

MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。由IBM在1999年發(fā)布。MQTT協(xié)議是輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的，這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。如：機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。其在通過鏈路通信傳感器、偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。

MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。

2、MQTT特點(diǎn)

本協(xié)議運(yùn)行在 TCP/IP，或其它提供了有序、可靠、 雙向連接的網(wǎng)絡(luò)連接上。MQTT屬于應(yīng)用層協(xié)議，它有以下特點(diǎn)：使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供了一對(duì)多的消息分發(fā)和應(yīng)用之間的解耦。消息傳輸不需要知道負(fù)載內(nèi)容。

提供三種等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量： .

• QS0：“最多一次”，盡操作環(huán)境所能提供的最大努力分發(fā)消息。 消息可能會(huì)丟失。 ??例如， 這個(gè)等級(jí)可用于環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，單次的數(shù)據(jù)丟失沒關(guān)系， 因?yàn)椴痪弥髸?huì)再次發(fā)送。
• QS1：“至少一次”，保證消息可以到達(dá)， 但是可能會(huì)重復(fù)。
• QS2： “僅一次”， 保證消息只到達(dá)一次。 例如， 這個(gè)等級(jí)可用在一個(gè)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中， 這里如果消息重復(fù)或丟失會(huì)導(dǎo)致不正確的收費(fèi)。很小的傳輸消耗和協(xié)議數(shù)據(jù)交換，最大限度減少網(wǎng)絡(luò)流量。??

在MQTT連接建立時(shí)，客戶端需要通過TCP連接到MQTT服務(wù)器，并進(jìn)行握手協(xié)商，包括協(xié)議版本、客戶端標(biāo)識(shí)符、遺囑消息、 QoS級(jí)別等信息，以確保雙方能夠正確地交換數(shù)據(jù)。一旦握手成功，客戶端和服務(wù)器之間就建立了一個(gè)持久化的TCP連接，可以隨時(shí)進(jìn)行消息傳輸。
由于TCP協(xié)議本身已經(jīng)提供了一定程度的可靠性保證，因此MQTT協(xié)議只需要在TCP的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)布/訂閱機(jī)制、 QoS級(jí)別控制、保留消息等特性即可，從而使得它成為一種輕量級(jí)且高效的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。

3、MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)量限制

MQTT協(xié)議本身沒有限制數(shù)據(jù)包的大小，但是它需要遵循底層傳輸協(xié)議（TCP/IP）的限制和約束。在實(shí)際應(yīng)用中，MQTT協(xié)議能夠傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)量是受多種因素影響的，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、QoS級(jí)別、MQTT消息頭部信息等。一般來說，在默認(rèn)情況下，MQTT協(xié)議對(duì)于單個(gè)消息的有效載荷有一個(gè)限制，即不超過256MB。這個(gè)限制主要由MQTT協(xié)議的消息長(zhǎng)度字段決定，該字段的最大值是4字節(jié)，因此最大能表示2^32-1個(gè)字節(jié)的消息長(zhǎng)度，即約為4GB。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和設(shè)備性能等方面的限制，很難實(shí)現(xiàn)傳輸如此巨大的消息。另外，需要注意的是，如果使用較高級(jí)別的QoS，如“至少一次”或“恰好一次”，則MQTT協(xié)議會(huì)對(duì)每條消息進(jìn)行確認(rèn)和重傳，這可能會(huì)導(dǎo)致更多的網(wǎng)絡(luò)流量和延遲。因此，在選擇QoS級(jí)別時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以充分利用MQTT協(xié)議的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

4、MQTT控制報(bào)文

MQTT協(xié)議通過交換預(yù)定義的 MQTT 控制報(bào)文來通信。MQTT 控制報(bào)文由三部分組成：固定報(bào)頭(Fixed header)、可變報(bào)頭(Variable header)、有效載荷(Payload)。

（1）固定報(bào)頭格式

控制報(bào)文類型

（2）MQTT控制報(bào)文類型集標(biāo)志

固定報(bào)頭第1個(gè)字節(jié)高4位(4_{7)為控制報(bào)文類型，一共14個(gè)，低4位(0}3)包含每個(gè) MQTT 控制報(bào)文類型特定的標(biāo)志，見下表。表中任何標(biāo)記為“保留”的標(biāo)志位，都是保留給以后使用的，必須設(shè)置為表格中列出的值。如果收到非法的標(biāo)志，接收者必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。

DUP1 =控制報(bào)文的重復(fù)分發(fā)標(biāo)志。

QoS2 = PUBLISH 報(bào)文的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)。

RETAIN3 = PUBLISH 報(bào)文的保留標(biāo)志。

詳情參考MQTT3.1協(xié)議。

（3）剩余長(zhǎng)度計(jì)算

剩余長(zhǎng)度（Remaining Length） 表示當(dāng)前報(bào)文剩余部分的字節(jié)數(shù)，包括可變報(bào)頭和負(fù)載的數(shù)據(jù)。 剩余長(zhǎng)度不包括用于編碼剩余長(zhǎng)度字段本身的字節(jié)數(shù)。

剩余長(zhǎng)度字段使用一個(gè)可變長(zhǎng)度編碼方案，對(duì)小于128的值它使用單字節(jié)編碼。 更大的值按下面的方式處理。低7位有效位用于編碼數(shù)據(jù)，最高有效位用于指示是否有更多的字節(jié)。 即剩余長(zhǎng)度安裝128進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，剩余長(zhǎng)度字段最大 4 個(gè)字節(jié)。

剩余長(zhǎng)度字段取值如下：

剩余長(zhǎng)度按128進(jìn)制計(jì)數(shù)，采用16進(jìn)制方式表示，低字節(jié)在前。剩余長(zhǎng)度編碼示例：

①例如64：(64/128)取整=0，說明64不需要進(jìn)位，1個(gè)字節(jié)即可表示，即：0x40。

②例如456：(456/128)取整=3，(3/128)取整=0，說明456需要2個(gè)字節(jié)表示。

第一個(gè)字節(jié)bit7=1，(bit0~bit6)=456%128=72=0x48，即第一個(gè)字節(jié)表示為：0xc8。

第二個(gè)字節(jié)bit7=3/128=0，(bit0~bit6)=3%128=3，即第二個(gè)字節(jié)表示位：0x3。

綜上，456采用2個(gè)字節(jié)表示為：0xc8 0x3。

③例如100000：(100000/128)=781，(781/128)=6，說明100000需要3字節(jié)表示。

第一個(gè)字節(jié)bit7=1，(bit0~bit6)=100000%128=0x20，即第一個(gè)字節(jié)為0xa0。

第二個(gè)字節(jié)bit7=1，(bit0~bit6)=781%128=0x0d，即第二個(gè)字節(jié)為0x8d。

第三個(gè)字節(jié)bit7=0，(bit0~bit6)=6%128=6，即第三個(gè)字節(jié)為0x6。

綜上，100000采用3字節(jié)表示為：0xa0 0x8d 0x6。

（4）剩余長(zhǎng)度計(jì)算C語言實(shí)現(xiàn)示例

剩余長(zhǎng)度編碼

int MQTT_RemainSum(int data,u8 buff[])
{
  int cnt=0;//記錄編碼的字節(jié)數(shù)
  do
  {
    u8 encodedByte = data % 128;
    data/=128;
    if(data>0)
    {
      //若data超過128，則將最最高位置1
      encodedByte=encodedByte|=0x80;
    }
    buff[cnt++]=encodedByte;
    
  }while(data>0);
  return cnt;//返回需要編碼的字節(jié)數(shù)個(gè)數(shù)
}

剩余長(zhǎng)度解碼

int MQTT_remainGet(u8 buff[],int cnt)
{
  int data=0;
  int i=0;
  int count=1;
  for(;i<cnt;i++)
  {
    data+=(buff[i]&0x7f)*count;
    count<<=7;
  }
  return data;
}

測(cè)試示例：

int main(int argc,char *argv[])
{
  if(argc!=2)
  {
    printf("格式:./a.out <剩余長(zhǎng)度>\n");
    return 0;
  }
  int data=atoi(argv[1]);
  u8 buff[4];
  int cnt=MQTT_RemainSum(data,buff);
  for(int i=0;i<cnt;i++)
  {
    printf("%#x ",buff[i]);
  }
  printf("\n");
  printf("data=%d\n", MQTT_remainGet(buff,cnt));
}
[wbyq@wbyq work]$ ./a.out 64
0x40 
data=64
[wbyq@wbyq work]$ ./a.out 456
0xc8 0x3 
data=456
[wbyq@wbyq work]$ ./a.out 100000
0xa0 0x8d 0x6 
data=100000
[wbyq@wbyq work]$ ./a.out 268435455
0xff 0xff 0xff 0x7f 
data=268435455

5、MQTT消息等級(jí)

MQTT提供三種等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量。

• QS0：“最多一次”，盡操作環(huán)境所能提供的最大努力分發(fā)消息。 消息可能會(huì)丟失。 例如，這個(gè)等級(jí)可用于環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，  單次的數(shù)據(jù)丟失沒關(guān)系， 因?yàn)椴痪弥髸?huì)再次發(fā)送。
• QS1：“至少一次”，保證消息可以到達(dá)， 但是可能會(huì)重復(fù)。
• QS2： “僅一次”， 保證消息只到達(dá)一次。 例如， 這個(gè)等級(jí)可用在一個(gè)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，這里如果消息重復(fù)或丟失會(huì)導(dǎo)致不正確的收費(fèi)。很小的傳輸消耗和協(xié)議數(shù)據(jù)交換，最大限度減少網(wǎng)絡(luò)流量。

PUBLISH報(bào)文不能將 QoS所有的位設(shè)置為1。如果服務(wù)端或客戶端收到QoS所有位都為 1的PUBLISH報(bào)文，它必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。Qos0最多一次。

只發(fā)送一次消息，不進(jìn)行重試。在協(xié)議中也沒有定義重傳的語義。消息可能到達(dá)服務(wù)器1次，也可能根本不會(huì)到達(dá)。

Qos1至少一次

如果客戶端沒有接收到PUBACK信息（無論是應(yīng)用定義的超時(shí)，還是檢測(cè)到失敗然后通訊session重啟），客戶端都會(huì)再次發(fā)送PUBLISH信息，并且將DUP位置1。

它從客戶端接收到重復(fù)的數(shù)據(jù)，服務(wù)器重新發(fā)送消息給訂閱者，并且發(fā)送另一個(gè)PUBACK消息。

如上圖所示， Qos1消息等級(jí)為了保證至少傳達(dá)一次，發(fā)布方會(huì)將發(fā)送的消息本地暫存，并且會(huì)每隔一段時(shí)間重發(fā)一次，直到接收方返回應(yīng)答為止。當(dāng)我們收到應(yīng)答后即可將暫存消息刪除，停止重傳。

對(duì)應(yīng)接收方，則需要在每次收到消息后都要回復(fù)應(yīng)答。在上圖中publisher(發(fā)布方)到broker(代理方，服務(wù)器)和broker(代理方，服務(wù)器)到subscriber(訂閱方)是同等的，兩段通信都應(yīng)按以上討論的進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

Qos2僅一次

QS2消息等級(jí)保證消息一定可以到達(dá)一次，publisher(發(fā)布方)到broker(代理方，服務(wù)器)和broker(代理方，服務(wù)器)到subscriber(訂閱方)是同等的，兩段通信都是相同等級(jí)。具體消息傳輸過程如下：

1.發(fā)布方發(fā)送消息，并將消息內(nèi)容本地暫存。

2.接收方接收到消息內(nèi)容后，將消息內(nèi)容暫存本地，并給發(fā)送方回復(fù)一個(gè)應(yīng)答(PUBREC),發(fā)布方在沒有收到PUBREC之前會(huì)隔一段時(shí)間進(jìn)行消息重發(fā)一次，以確保消息一定可以送達(dá)。

3.當(dāng)發(fā)布方收到PUBREC后，則停止消息重發(fā)，并給接收方發(fā)送釋放(PUBREL)消息內(nèi)容,接收方收到PUBREL后即可確定消息傳輸成功。

4.刪除暫存的消息，之后發(fā)送端每次收到PUBREC都直接發(fā)送一個(gè)PUBREL消息給接收端。

5.接收端在收到PUBREL消息后，修改暫存的消息狀態(tài)為發(fā)布完成，停止發(fā)送PUBREC，然后給發(fā)送端發(fā)去一個(gè)發(fā)布完成（PUBCOM）的消息。此時(shí)接收端則將刪除暫存的消息，之后每次收到PUBREL都直接回復(fù)PUBCOM。

6.發(fā)送端收到PUBCOM，如果發(fā)現(xiàn)暫存的消息還每刪除的話，就刪除暫存消息，如果已經(jīng)刪除了就不管了。

注意：在此過程中本地暫存消息的作用是為了在收到重復(fù)內(nèi)容時(shí)可以實(shí)現(xiàn)去重，在接收到PUBREL后，就能確定發(fā)送端不再會(huì)發(fā)送此消息，所以這個(gè)時(shí)候就可以刪除暫存消息了，同樣的，發(fā)送端在接收到PUBREC后知道接收端已經(jīng)接收到消息了，所以不必再發(fā)送消息，并且可以刪除暫存了。

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