什么是MQTT？为什么在IoT中需要它

随着行业的快速发展，数据管理和接收所需的设备数量也在增加。为了解决众多设备之间的通信问题以及单个网络中设备组合的问题，已经创建了物联网(IoT)概念-基于某些功能的单个网络中设备的组合或特性，此网络进一步与类似网络组合在一起，从而创建更大的网络，依此类推。

在这样的网络中，设备通过各种接口和通信协议彼此交互。当我们正在考虑物联网概念的工业实现时，应使用具有自己的协议和硬件的工业设备，让我们开始探讨IIoT概念(工业物联网)。

为了进行通信，设备可以使用各种工业协议。为此，MQTT很受欢迎。

什么是MQTT?

MQTT或消息队列遥测传输是一种轻巧的开放式消息传递协议，用于在要求“代码占用量小”或网络带宽受限的远程位置进行数据传输。这些优势允许在M2M系统(机器对机器)和IIoT系统(工业物联网)中实现此协议。

还存在一种协议变体MQTT-SN(用于传感器网络的MQTT)，以前称为MQTT-S，其设计用于不支持TCP / IP网络的嵌入式无线设备，例如ZigBee。

MQTT协议的功能

MQTT协议的主要功能：

● 异步协议

● 紧凑的消息

● 在数据传输线连接不稳定的情况下运行

● 支持多个服务质量(QoS)级别

● 轻松集成新设备

在应用程序层上，MQTT协议在TCP / IP协议之上工作，并且默认使用端口1883(如果通过SSL连接则使用端口8883)。

在MQTT协议中，消息交换在客户端(可能是消息发布者或消息订阅者)与消息代理(例如Mosquitto MQTT)之间进行。

发布者在MQTT Broker上发送数据，并在消息中指定了明确的主题。订阅者可以根据对相应主题的订阅，从多个发布者接收各种数据。

MQTT设备使用确定类型的消息来与代理进行通信。主要类型如下：

● 连接–建立与Message Broker的连接

● 断开连接–断开与消息代理的连接

● 发布–在Message Broker中发布有关主题的数据

● 订阅–订阅消息代理上的主题

● 退订–退订主题

消息的结构

MQTT消息包含以下几部分：

● 固定的标头(出现在所有消息中)

● 可变标头(出现在某些消息中)

● 数据，有效负载(存在于某些消息中)

固定头

消息类型-例如：CONNECT，SUBSCRIBE，PUBLISH等。

每个MQTT数据包特有的标志–这4位用于辅助标志，辅助标志的存在和状态取决于消息类型。

剩余长度–当前消息长度(可变报头+数据)，大小为1到4个字节。

总体而言，MQTT协议中有15种消息类型：

标志

固定标头的前4个最高有效位用作特定标志：

DUP –当客户端或MQTT代理提交重发的数据包(在PUBLISH，SUBSCRIBE，UNSUBSCRIBE，PUBREL中使用)时，将设置Duplicate。如果设置了该标志，则变量头必须包含消息ID(消息标识符)。

QoS –服务质量(0,1,2)

保留-发布带有保留标志的数据时，代理将对其进行存储。建立对该主题的新订阅后，代理将立即发送带有此标志的消息。仅在PUBISH类型的消息中使用。

可变标题

某些标头中存在可变标头。

它包含以下数据：

● 数据包标识符–存在于所有类型的消息中，但以下情况除外：CONNECT，CONNACK，PUBLISH(сQoS <1)，PINGREQ，PINGRESP，DISCONNECT

● 协议名称–仅在CONNECT消息类型中显示

● 协议版本–仅在CONNECT消息类型中存在

● 连接标志–指定连接期间客户端行为的标志

用户名–如果设置了该标志，则有效负载中必须存在一个用户名(用于客户端身份验证)

密码–如果设置了此标志，则有效负载中必须存在密码(用于客户端身份验证)

将会保留-如果该标志设置为1，则代理将存储一个意愿消息。

Will QoS – Will Message的服务质量。如果设置了意愿标记，则必须存在意愿QoS和意愿保留。

意志标志-如果设置了该标志，则在客户端断开代理而不发送DISCONNECT命令(如果发生不可预知的关闭，失败等情况)之后，代理将通过所谓的意志消息通知所有已连接的客户端。

干净会话-如果将该标志设置为0，则代理存储一个会话，所有客户端订阅都将通过客户端的下一个连接发送，并且在客户端断开连接时，代理将接收来自QoS1和QoS2的所有消息。因此，如果该标志设置为1，则到下一个连接，客户端必须再次订阅所有主题。

● 会话存在–在CONNACK类型的消息中应用。如果Broker接受将Clean Session设置为1的连接，则必须将Session Present(SP)设置为0。如果Broker接受Clean Session设置为0的连接，则SP中设置的值取决于Broker是否已存储此客户端的会话状态(如果是，则必须将SP设置为1，反之亦然)。会话存在标志使客户端能够确定是否已经存储了会话状态。

● 连接返回码–如果代理出于某种原因无法从客户端接收格式正确的CONNACK数据包，则必须在下表的CONNACK数据包的第二个字节中设置适当的值：

数据，有效载荷

通过MQTT消息传输的数据的内容和格式在设备中定义。可以通过从剩余长度中减去变量头的长度来计算数据大小。

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MQTT协议(QoS)中的服务质量

发送消息时，MQTT支持三个级别的服务质量(QoS)。

QoS 0最多一次。在此级别上，发布者一次向代理发送一条消息，并且不等待任何响应，即发送并忘记它。

QoS 1至少一次。此级别可确保将消息传递到代理，但是可以从发布者复制消息。一旦收到副本，代理将再次将此消息发送给订阅服务器，并将消息接收确认转发给发布服务器。如果发布者未从代理获取PUBACK消息，它将尝试重新传递此数据包，将DUP设置为1。

QoS 2恰好一次。在此级别上，可以确保将消息传递到客户端，并且不可能重复副本。

发布者向代理发送消息。该消息包含唯一的数据包ID，QoS = 2和DUP = 0。发布者存储未经确认的消息，除非它从代理获得PUBREC响应。代理回复包含相同分组ID的PUBREC消息。收到此消息后，发布者发送具有相同数据包ID的PUBREL。代理必须存储消息副本，直到获得PUBREL。代理收到PUBREL后，它将删除消息副本，并将有关已完成的事务的PUBCOMP消息发送给发布者。

关键词：模拟量输入输出模块