MQTT协议笔记

消息格式

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息协议，专为低带宽、高延迟或不可靠的网络设计，广泛应用于物联网（IoT）设备之间的通信。MQTT消息体的结构遵循MQTT协议规范，主要由以下几个部分组成：

MQTT消息格式

MQTT的消息传输基于发布/订阅模式，通过主题（Topic）进行消息路由。每个从客户端发送到服务器（或服务器发送到客户端）的消息都包含一个固定头部（Fixed Header），可变头部（Variable Header，视消息类型而定），以及有效载荷（Payload）。下面是对这些组成部分的详细说明：

1. 固定头部（Fixed Header）

固定头部是所有MQTT消息都必须包含的部分，它携带了关于消息的基本信息，如消息类型、标志位等。

• 消息类型：标识消息的目的，例如CONNECT（连接服务端）、PUBLISH（发布消息）、SUBSCRIBE（订阅主题）等。
• 标志位：根据消息类型的不同，可能包括一些额外的控制标志。
• 剩余长度：表示后面跟随的数据（可变头部+有效载荷）的字节长度。

2. 可变头部（Variable Header）

并不是所有的MQTT消息都需要可变头部，它的存在与否取决于消息类型。可变头部通常包含一些特定于消息类型的附加信息，比如：

• 在PUBLISH消息中，它包含了主题名称（Topic Name）和包标识符（Packet Identifier，对于QoS级别大于0的消息）。
• 在CONNECT消息中，它会包含协议名、协议版本、连接标志等信息。

3. 有效载荷（Payload）

有效载荷是消息的实际内容，具体内容依赖于消息类型：

• 对于PUBLISH消息，有效载荷就是实际要传输的数据，可以是任何格式（如JSON、XML、纯文本等）。
• 对于SUBSCRIBE消息，有效载荷则是一组主题过滤器及其对应的QoS等级。
• 其他类型的消息（如CONNECT、CONNACK等）的有效载荷可能是空的，或者包含少量特定数据。

MQTT数据包结构图如下：

固定头结构如下图： 

 

消息发布机制

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议定义了客户端向服务器（broker）发布消息的方式，这些方式主要围绕着如何指定主题、设置服务质量（QoS）等级以及处理其他发布相关的参数。以下是MQTT消息发布的几种关键方式和相关特性：

1. 指定主题（Topic）

在发布消息时，必须指定一个或多个主题。主题是消息的标识符，订阅者通过匹配感兴趣的主题来接收消息。

• 精确匹配：发布者可以直接指定一个确切的主题名称来发布消息。
• 通配符使用限制：发布消息时不能使用单级（+）或多级（#）通配符，这些仅用于订阅操作。

2. 设置服务质量（QoS）

发布消息时可以选择三种不同的服务质量级别：

• QoS 0：最多一次交付。消息发送后不进行确认，适用于对消息丢失容忍度较高的场景。
• QoS 1：至少一次交付。确保消息至少被送达一次，但可能会重复。每次发送都会等待PUBACK确认。
• QoS 2：恰好一次交付。提供最高的可靠性保证，确保消息只被送达一次。涉及更复杂的四步握手过程（PUBLISH, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP）。

3. Retain标志

发布消息时可以设置保留消息（Retain flag）。如果此标志被设置为true，则该消息将作为该主题的最新状态保存在broker上。任何新订阅此主题的客户端都会立即收到这条保留消息。

• 清除保留消息：如果你想清除某个主题的保留消息，只需发布一条retain标志为true但内容为空的消息到该主题即可。

4. DUP标志

对于QoS大于0的消息，DUP（Duplicate）标志可能出现在重新发送的消息中，以指示这是一条重发的消息。这有助于接收方识别并正确处理重复的消息。

5. Message Expiry Interval (MQTT v5)

在MQTT v5版本中引入了一个新的特性——消息过期间隔（Message Expiry Interval），允许发布者设定消息的有效期。如果消息在此时间内未被所有目标订阅者接收，则会被broker丢弃。

6. Payload Format Indicator (MQTT v5)

同样是在MQTT v5中新增的功能，Payload Format Indicator允许发布者指示消息体的格式类型（如UTF-8编码文本或其他二进制数据），以便订阅者更好地解析消息内容。

7. Response Topic & Correlation Data (MQTT v5)

这两个属性也是MQTT v5的一部分，用于支持请求/响应模式。Response Topic指定了应答消息应当发布的主题，而Correlation Data则可用于关联请求与响应消息。

消息订阅机制

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议提供了灵活的消息订阅机制，允许客户端根据需要选择不同的订阅方式。以下是几种主要的订阅方式和相关特性：

1. 主题订阅

这是最基本也是最常用的订阅方式。客户端可以订阅一个或多个主题（Topics），当有消息发布到这些主题时，所有订阅了该主题的客户端都会收到消息。

• 单级别通配符（+）：可以在主题过滤器中使用单个 '+' 符号来代替一层级别的主题名称。例如，home/+/temperature 将匹配 home/livingroom/temperature 和 home/kitchen/temperature。

• 多级别通配符（#）：'#' 必须位于主题过滤器的末尾，并且代表匹配任意数量的层级。例如，home/# 可以匹配 home/livingroom/temperature, home/kitchen/light, 等等。

2. QoS（Quality of Service）等级

在订阅时，可以选择服务质量（QoS）等级，这决定了消息传递的保证程度：

• QoS 0：最多一次，消息发送者尝试发送消息一次，不保证送达。
• QoS 1：至少一次，确保消息至少被送达一次，但可能会重复。
• QoS 2：恰好一次，确保消息只被送达一次，提供最高的可靠性。

3. 持久会话

通过设置 cleanSession 参数为 false（在 MQTT v5 中称为 Clean Start），客户端可以让服务器保持其会话状态。这意味着即使客户端断开连接，它也能在重新连接后接收到在其离线期间发布的消息。

4. 共享订阅

一些MQTT代理实现了共享订阅功能，允许多个客户端共享对同一主题的订阅。在这种模式下，当一条新消息到达时，只会有一部分订阅者接收该消息，而不是所有的订阅者都收到相同的消息副本。这对于负载均衡非常有用。

5. Retain Handling

MQTT v5 引入了更精细的保留消息处理选项 (Retain Handling)，它定义了如何处理保留消息：

• Retain Handling 0：只要订阅建立，就发送保留消息。
• Retain Handling 1：只有建立全新的订阅而不是重复订阅时，才发送保留消息。
• Retain Handling 2：订阅建立时不要发送保留消息。

6. No Local

如果设置了 No Local 标志，则服务端不会将消息转发给发布这条消息的客户端本身。这个选项对于桥接场景特别有用。

7. Retain As Published

另一个 MQTT v5 特性是 Retain As Published，它控制是否保留消息中的 Retain 标识。这对于桥接场景下的跨服务器保留消息传播非常重要。

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