一、协议概述

物联网（Internet of Things，IoT）最近曝光率越来越高。虽然HTTP是网页的事实标准，不过机器之间（Machine-to-Machine，M2M）的大规模沟通需要不同的模式：之前的请求/回答（Request/Response）模式不再合适，取而代之的是发布/订阅（Publish/Subscribe）模式。这就是轻量级、可扩展的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）可以施展拳脚的舞台。

MQTT是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议，最早由IBM提出的，如今已经成为OASIS规范。由于规范很简单，非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景，比如：遥感数据、汽车、智能家居、智慧城市、医疗医护。

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

--精简，不添加可有可无的功能。

--发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递。

--允许用户动态创建主题，零运维成本。

--把传输量降到最低以提高传输效率。

--把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。

--支持连续的会话控制。

--理解客户端计算能力可能很低。

--提供服务质量管理。

--假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

运用MQTT协议，设备可以很方便地连接到物联网云服务，管理设备并处理数据，最后应用到各种业务场景，如下图所示：

二、协议详解

整个协议的构造，从整体上协议可拆分为：   固定头部+可变头部+消息体

1、固定头部（fixed header）：

构造如下：

     1）Message Type(0和15保留，共占4个字节)

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 level：主要用于PUBLISH（发布态）消息的，保证消息传递的次数。

00表示最多一次 即<=1

01表示至少一次  即>=1

10表示一次，即==1

11保留后用

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，后一位用做标识。

举个例子：即如果计算出后面的大小为 0<length<=127,正常保存；如果是127<length<16383,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。

例如，数字64十进制被编码为单个字节，十进制值64，十六进制0x40。数字321十进制（= 65 + 2 * 128）被编码为两个字节，最不重要。第一个字节65 + 128 = 193。请注意，顶部位被设置为至少指示一个后续字节。第二个字节是2。

2、可变头部（variable header）：

整体结构为：

1）首先最上面的8个字节是Protocol Name(协议名称)，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。并且下面的     Will Qos和Will Retain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Will Flag，那么这个位置也要标识。

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

  usename flag和password flag，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（主题名称）：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。

3、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。

4、Message Identifier：消息标识符存在于以下MQTT消息的变量头中：PUBLISH，PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE，SUBACK，UNSUBSCRIBE，UNSUBACK。

消息标识符（Message ID）字段仅存在于固定报头中的QoS位表示QoS级别1或2的消息中。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。