MQTT协议详解

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。

一、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

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(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
);

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。

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。