MQTT协议简记

 一、定义

MQTT - MQ Telemetry Transport

• 轻量级的 machine-to-machine 通信协议。
• publish/subscribe模式。
• 基于TCP/IP。
• 支持QoS。
• 适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备、CPU内存资源紧张。
• 是一种比较不错的Android消息推送方案。
• FacebookMessenger采用了MQTT。
• MQTT有可能成为物联网的重要协议。

 

MQTT是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议，它可以通过很少的代码和带宽和远程设备连接。例如通过卫星和代理连接，通过拨号和医疗保健提供者连接，以及在一些自动化或小型设备上，而且由于小巧，省电，协议开销小和能高效的向一和多个接收者传递信息，故同样适用于称动应用设备上。

相信在想深入学习这协议必是奔着解决某个问题而来的，上面给出了适用的场景，我之所以想深入的学习和了解这个协议，理由如下：

1、可以实现手机消息推送（PUSH）

2、协议简单，最小的头部只需2个字节，特别适合于嵌入式中。

3、这是个了解什么是协议绝好的例子。相比于其它复杂的协议例如tcp，http协议，至少说明文档看的下去。

在这里，我以推送为例子说明，虽然现在现成的推送解决方案已经比较成熟，但是这个Repeat ReInvent the Whell还是要做一下，什么都是拿来主义，和搬运工有什么区别。

二、协议初解

先说一下整个协议的构造，整体上协议可拆分为：

　　固定头部+可变头部+消息体

协议说白了就是对于双方通信的一个约定，比如传过来一段字符流，第1个字节表示什么，第2个字节表示什么。。。。一个约定。

所以在固定头部的构造如下：

 

1、MessageType

 

 

MessageType(0和15保留，共占4个字节)

public $operations=array(
         "MQTT_CONNECT"=>1,//请求连接
         "MQTT_CONNACK"=>2,//请求应答
         "MQTT_PUBLISH"=>3,//发布消息
         "MQTT_PUBACK"=>4,//发布应答
         "MQTT_PUBREC"=>5,//发布已接收，保证传递1
         "MQTT_PUBREL"=>6,//发布释放，保证传递2
         "MQTT_PUBCOMP"=>7,//发布完成，保证传递3
         "MQTT_SUBSCRIBE"=>8,//订阅请求
         "MQTT_SUBACK"=>9,//订阅应答
         "MQTT_UNSUBSCRIBE"=>10,//取消订阅
         "MQTT_UNSUBACK"=>11,//取消订阅应答
         "MQTT_PINGREQ"=>12,//ping请求
         "MQTT_PINGRESP"=>13,//ping响应
         "MQTT_DISCONNECT"=>14//断开连接
        ); 

CONNECT

TCP连接建立完毕后，Client向Server发出一个Request。

如果一段时间内接收不到Server的Response，则关闭socket，重新建立一个session连接。

如果一个ClientID已经与服务器连接，则持有同样ClientID的旧有连接必须由服务器关闭后，新建立才能建立。

 

CONNACK

Server发出Response响应。

0x00 Connection Accepted
0x01 Connection Refused: unacceptable protocol version
0x02 Connection Refused: identifier rejected
0x03 Connection Refused: server unavailable
0x04 Connection Refused: bad user name or password
0x05 Connection Refused: not authorized

 

PUBLISH 发布消息

Client/Servier均可以进行PUBLISH。

publish message 应该包含一个TopicName(Subject/Channel)，即订阅关键词。

 

关于Topic通配符

/：用来表示层次，比如a/b，a/b/c。

#：表示匹配>=0个层次，比如a/#就匹配a/，a/b，a/b/c。

单独的一个#表示匹配所有。

不允许 a#和a/#/c。

+：表示匹配一个层次，例如a/+匹配a/b，a/c，不匹配a/b/c。

单独的一个+是允许的，a+不允许，a/+/b不允许

 

PUBACK 发布消息后的确认

QoS=1时，Server向Client发布该确认（Client收到确认后删除），订阅者向Server发布确认。

 

PUBREC / PUBREL / PUBCOMP

QoS=2时

1. Server->Client发布PUBREC（已收到）；

2. Client->Server发布PUBREL（已释放）；

3. Server->Client发布PUBCOMP（已完成），Client删除msg；

订阅者也会向Server发布类似过程确认。

 

PINGREQ / PINGRES 心跳

Client有责任发送KeepAliveTime时长告诉给Server。在一个时长内，发送PINGREQ，Server发送PINGRES确认。

Server在1.5个时长内未收到PINGREQ，就断开连接。

Client在1个时长内未收到PINGRES，断开连接。

一般来说，时长设置为几个分钟。最大18hours，0表示一直未断开。

 

 

2、DUP flag

 其是用来在保证消息传输可靠的，如果设置为1，则在下面的变长头部里多加MessageId,并需要回复确认，保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。

3、QoS

 主要用于PUBLISH（发布态）消息的，保证消息传递的次数。

 11保留后用

 

QoS=0：最多一次，有可能重复或丢失。

 

QoS=1：至少一次，有可能重复。

Client[Qos=1,DUP=0/*重复次数*/,MessageId=x] --->PUBLISH--> Server收到后，存储Message，发布，删除，向Client回发PUBACK

Client收到PUBACK后，删除Message；如果未收到PUBACK，设置DUP++，重新发送，Server端重新发布，所以有可能重复发送消息。

 

QoS=2：只有一次，确保消息只到达一次（用于比较严格的计费系统）。

 

 

4、Retain

 主要用于PUBLISH(发布态)的消息，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它。如果不设那么推送至当前订阅的就释放了。

5、固定头部的byte 2

是用来保存接下去的变长头部+消息体的总大小的。

但是不是并不是直接保存的，同样也是可以扩展的，其机制是，前7位用于保存长度，后一部用做标识。

我举个例了，即如果计算出后面的大小为0<length<=127的，正常保存

如果是127<length<16383的，则需要二个字节保存了，将第一个字节的最大的一位置1,表示未完。然后第二个字节继续存。

拿130来说，第一个字节存10000011,第二个字节存000000001，也就是0x83,0x01,把两个字节连起来看，第二个字节权重从2的8次开始。

同起可以加第3个字节，最多可以加至第4个字节。故MQTT协议最多可以实现268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)将近256M的数据。可谓能伸能缩。

 可变头部

这个是可变头部的全貌。

1、首先最上面的8个字节是Protocol Name(编码名)，UTF编码的字符“MQIsdp”，头两个是编码名提长为6。

这里多说一些，接下去的协议多采用这种方式组合，即头两个字节表示下一部分的长，然后后面跟上内容。这里头两个字节长为6，下面跟6个字符“MQIsdp”。

2、Protocol Version，协议版本号，v3 也是固定的。

3、Connect Flag，连接标识，有点像固定头部的。8位分别代表不同的标志。第1个字节保留。

Clean Session,Will flag，Will Qos, Will Retain都是相对于CONNECT消息来说的。

Clean Session:0表示如果订阅的客户机断线了，那么要保存其要推送的消息，如果其重新连接时，则将这些消息推送。

                            1表示消除，表示客户机是第一次连接，消息所以以前的连接信息。

Will Flag，表示如果客户机在不是在发送DISCONNECT消息中断，比如IO错误等，将些置为1,要求重传。并且下且的WillQos和WillRetain也要设置，消息体中的Topic和MessageID也要设置，就是表示发生了错误，要重传。

Will Qos，在CONNECT非正常情况下设置，一般如果标识了WillFlag，那么这个位置也要标识。

Will RETAIN：同样在CONNECT中，如果标识了WillFlag,那么些位也一定要标识

usename flag和passwordflag，用来标识是否在消息体中传递用户和密码，只有标识了，消息体中的用户名和密码才用效，只标记密码而不标记用户名是不合法的。

4、Keep Alive，表示响应时间，如果这个时间内，连接或发送操作未完成，则断开tcp连接，表示离线。

5、Connect Return Code即通常于CONNACK消息中，表示返回的连接情况，我可以通过此检验连接情况。

6、Topic Name，订阅消息标识，MQTT是基于订阅/发布的消息，那么这个就是消息订阅的标识，像新闻客户端里的订阅不同的栏目一样。用于区别消息的推送类别。

主要用于PUBLISH和SUBSCRIBE中。最大可支持32767个字符，即4个字节。

消息体（PayLoad）

只有3种消息有消息体CONNECT，SUBSCRIBE，SUBACK

CONNECT主要是客户机的ClientID，订阅的Topic和Message以及用户名和密码，其于变长头部中的will是对应的。

SUBSCRIBE是包含了一系列的要订阅的主题以及QOS。

SUBACK是用服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QOS进行确认和回复。

而PUBLISH是消息体中则保存推送的消息，以二进制形式，当然这里的编辑可自定义。

7、Message Identifier

包含于PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK.

其为16位字符表示，用于在Qos为1或2时标识Message的，保证Message传输的可靠性。

至于具体的消息例子，我们在后面的代码中慢慢体现。

Clean Session

 

如果为false(flag=0)，Client断开连接后，Server应该保存Client的订阅信息。

如果为true(flag=1)，表示Server应该立刻丢弃任何会话状态信息。

 

三、需要的环境：

1、PHP+Apache或Nginx

2、安装开源代理程序Mosquitto，这里用其做为代理服务器，负责连接和分发。

安装方法很简单，http://mosquitto.org/files/   binary是编译好的，source是源码安装需要的（make & make install 就行）

唯 一要配置的就是在解压后的config.mk,安装完后设置文件是mosquitto.conf

当然主要是设置是否支持ssl，还有就是config.mk最下面的安装位置的设定。这里一切默认。

默认启动是绑定的IP是本地IP，端口是1883可以在mosquitto.conf里设置（要去掉前面的#字注释），linux 中 -c 可以指定设置文件并运行

比 如： mosquitto -c /etc/mosquitto.conf