MQTT 协议快速入门

课程亮点

* MQTT 协议实例全解析
* MQTT 协议的最佳实践和反模式
* MQTT 协议的安全性实践
* AI+IoT 项目实战
本课程深入浅出地介绍了 MQTT 协议的各种特性，对每个协议特性都辅以具体代码进行讲解，并通过一个 IoT+AI 项目实战来具体展现 MQTT
在移动端、Web 端的使用，MQTT Broker 的架设等场景。

作者介绍

付强，十余年从业经验，从 C 语言到 Web 开发，从微服务架构到移动端开发，涉猎范围很广。曾就职于趋势科技、诺基亚，在德国和硅谷的 Startups
工作过，现在从事物联网方向的创业。

课程大纲



适宜人群

* 对物联网平台入门感兴趣的开发人员
* 有一定经验的 IM 平台、移动推送平台开发人员
* 渴望学习更多物联网实际开发经验的人员
课程内容

开篇词：MQTT 协议简介

为什么要学 MQTT

物联网曾被认为是继计算机、互联网之后，信息技术行业的第三次浪潮。随着基础通讯设施的不断完善，尤其是 5G
的出现，进一步降低了万物互联的门槛和成本。物联网本身也是 AI 和区块链应用很好的落地场景之一，各大云服务商也在纷纷上架物联网平台和服务。在 AI
和区块链的热潮过去之后，物联网很有可能成为下一个风口，在风口到来之前，提前进行一些知识储备，是很有必要的。

物联网通讯是物联网的一个核心内容，目前物联网的通讯协议并没有一个统一的标准，比较常见的有 MQTT、CoAP、DDS、XMPP
等，在这其中，MQTT（消息队列遥测传输协议）应该是应用最广泛的标准之一。我们可以来看一下各大云服务商提供的物联网套件服务：

阿里云



腾讯云



青云



所以入门物联网，掌握 MQTT 是一个非常必要的步骤。

MQTT 是什么

MQTT 的全称为 Message Queue Telemetry Transport，是在 1999 年，由 IBM 的 Andy
Stanford-Clark 和 Arcom 的 Arlen Nipper
为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT 协议在设计之初就包含了以下一些特点：

* 实现简单
* 提供数据传输的 QoS
* 轻量、占用带宽低
* 可传输任意类型的数据
* 可保持的会话（session）
之后 IBM 一直将 MQTT 作为一个内部协议在其产品中使用，直到 2010 年，IBM 公开发布了 MQTT 3.1 版本。在 2014 年，MQTT
协议正式成为了 OASIS（结构化信息标准促进组织）的标准协议。随着多年的发展，MQTT 协议的重点也不再只是嵌入式系统，而是更广泛的物联网（Internet
of Things）世界了。

MQTT 协议是什么？简单地来说 MQTT 协议有以下特性：

* 基于 TCP 协议的应用层协议；
* 采用 C/S 架构；
* 使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接受方解耦；
* 提供 3 种消息的 QoS（Quality of Service）: 至多一次，最少一次，只有一次；
* 收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答。
虽然 MQTT 协议名称有 Message Queue 两个词，但是它并不是一个像 RabbitMQ
那样的一个消息队列，这是初学者最容易搞混的一个问题。MQTT 跟传统的消息队列相比，有以下一些区别：

* 在传统消息队列中，在发送消息之前，必须先创建相应的队列；在 MQTT 中，不需要预先创建要发布的主题（可订阅的 Topic）；
* 在传统消息队列中，未被消费的消息总是会被保存在某个队列中，直到有一个消费者将其消费；在 MQTT
中，如果发布一个没有被任何客户端订阅的消息，这个消息将被直接扔掉；
* 在传统消息队列中，一个消息只能被一个客户端获取，在 MQTT 中，一个消息可以被多个订阅者获取，MQTT 协议也不支持指定消息被单一的客户端获取。
MQTT 协议可以为大量的低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通讯保障。而它的应用范围也不仅如此，在移动互联网领域也大有作为：很多 Android
App 的推送功能，都是基于 MQTT 实现的，也有一些 IM 的实现，是基于 MQTT 的。

怎么学习 MQTT

在本课程中，我们将逐一学习 MQTT 协议的每一个特性以及其最佳实践，并辅以实际的代码来进行讲解。

在学习完 MQTT 协议的所有特性以后，我们将做一个 IoT+AI 实战——将《物体识别：TensorFlow on Android》
<https://gitbook.cn/gitchat/column/59f1a77a9343b255e38edd78>一课中的 App
改造成可以实时发布识别结果。在这个过程中，读者将学习：

* MQTT 数据包、数据收发流程详细解析
* 如何在 Web 端和移动端正确地使用 MQTT
* 如何搭建自己的 MQTT Broker
* 如何增强 MQTT 平台的安全性
* 使用 MQTT 设计和开发 IoT 产品和平台的最佳实践
* MQTT 5.0 的新特性
在学习完本课程以后，读者将具备独立架设和开发基于 MQTT 协议的 IoT 平台、实时通信系统，及相关物联网产品的能力；同时也可以将本课程当做 MQTT
协议的参考文档，对协议内容有疑问的时候可随时查询。

课程中使用的 MQTT 协议版本为 3.1.1，代码主要使用 MQTT 的 Node.js 实现来进行演示。

点击了解更多《MQTT 协议快速入门》
<https://gitbook.cn/m/mazi/comp/column?columnId=5be4f4df2c33167c317beb8c&utm_source=fqsd001>

第01课：MQTT 的基础概念

在这一课中，让我们来学习 MQTT 协议的基本概念和术语，同时也会介绍一下本课程中代码的开发环境搭建。本节课核心内容包括：

* MQTT 协议的通信模型
* MQTT Client
* MQTT Broker
* MQTT 协议数据包
1.1 MQTT 协议的通信模型

就像我们在之前提到的，MQTT 的通信是通过发布/订阅的方式来实现的，消息的发布方和订阅方通过这种方式来进行解耦，它们没有直接地连接，它们需要一个中间方。在
MQTT 里面我们称之为 Broker，用来进行消息的存储和转发。一次典型的 MQTT 消息通信流程如下所示：



* 发布方将消息发送到 Broker；
* Broker 接收到消息以后，检查下都有哪些订阅方订阅了此类消息，然后将消息发送到这些订阅方；
* 订阅方从 Broker 获取该消息。
在之后的课程里面，我们将发送方称为 Publisher，将订阅方称为 Subscriber。

1.2 MQTT Client

任何终端，嵌入式设备也好，服务器也好，只要运行了 MQTT 的库或者代码，我们都称为 MQTT 的 Client。Publisher 和
Subscriber 都属于 Client，Pushlisher 或者 Subscriber 只取决于该 Client
当前的状态——是在发布还是在订阅消息。当然，一个 Client 可以同时是 Publisher 和 Subscriber。

MQTT Client 库在很多语言中都有实现，包括
Android、Arduino、Ruby、C、C++、C#、Go、iOS、Java、JavaScript，以及 .NET
等。如果你要查看相应语言的库实现，可以在这里 <https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries>
找到。

本课程中，我们主要使用 Node.js 的 MQTT Client 库来进行演示，所以需要先安装 Node.js，然后安装 MQTT Client 的
Node.js 包：
npm install mqtt -g
1.3 MQTT Broker

如前面所讲的，Broker 负责接收 Publisher 的消息，并发送给相应的 Subscriber，它是整个 MQTT
订阅/发布的核心。在实际应用中，一个 MQTT Broker 还应该提供以下一些功能：

* 可以横向扩展，比如集群，来满足大量的 Client 接入；
* 可以扩展接入业务系统；
* 易于监控，满足高可用性。
我们在导读里面提到的阿里云、腾讯云、青云之类的云服务商提供的 MQTT 服务，其实就可以理解为他们提供了满足上述要求的 MQTT Broker。

在本课程中，我们使用一个公共的 MQTT Broker —— iot.eclipse.org 做演示，同时也会学习如何搭建一个 MQTT Broker。

1.4 MQTT 协议数据包

MQTT 协议的数据包格式非常简单，一个 MQTT 协议数据包由下面三个部分组成：

* 固定头（Fixed header）：存在于所有的 MQTT 数据包中，用于表示数据包类型及对应标识，表明数据包大小；
* 可变头（Variable header）：存在于部分类型的 MQTT 数据包中，具体内容由相应类型的数据包决定；
* 消息体（Payload）：存在于部分 MQTT 数据包中，存储消息的具体数据。
接下来看一下固定头的格式，可变头和消息体我们将在讲解各种具体类型的 MQTT 协议数据包的时候 case by case 地讨论。

固定头格式：

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
字节 1 MQTT 数据包类型 MQTT 数据包 Flag， 内容由数据包类型指定
字节 2…… 数据包剩余长度
固定头的第一个字节的高 4 位 bit 用于指定该数据包的类型，MQTT 的数据包有以下一些类型：

名称 值 方向 描述
Reserved 0 不可用 保留位
CONNECT 1 Client 到 Broker Client 请求连接到 Broker
CONNACK 2 Broker 到 Client 连接确认
PUBLISH 3 双向 发布消息
PUBACK 4 双向 发布确认
PUBREC 5 双向 发布收到
PUBREL 6 双向 发布释放
PUBCOMP 7 双向 发布完成
SUBSCRIBE 8 Client 到 Broker Client 请求订阅
SUBACK 9 Broker 到 Client 订阅确认
UNSUBSCRIBE 10 Client 到 Broker Client 请求取消订阅
UNSUBACK 11 Broker 到 Client 取消订阅确认
PINGREQ 12 Client 到 Broker PING 请求
PINGRESP 13 Broker 到 Client PING 应答
DISCONNECT 14 Client 到 Broker Client 主动中断连接
Reserved 15 不可用 保留位
固定头的低 4 位 bit 用于指定数据包的 Flag，不同的数据包类型，其 Flag 的定义是不一样的，每种数据包对应的 Flag 如下：

数据包 标识位 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
CONNECT 保留位 0 0 0 0
CONNACK 保留位 0 0 0 0
PUBLISH MQTT 3.1.1 使用 DUP QoS QoS RETAIN
PUBACK 保留位 0 0 0 0
PUBREC 保留位 0 0 0 0
PUBREL 保留位 0 0 0 0
PUBCOMP 保留位 0 0 0 0
SUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
SUBACK 保留位 0 0 0 0
UNSUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
UNSUBACK 保留位 0 0 0 0
PINGREQ 保留位 0 0 0 0
PINGRESP 保留位 0 0 0 0
DISCONNECT 保留位 0 0 0 0
注意：DUP、QOS、RETAIN 标识的使用将在后续的课程中详细讲解。

从固定头的第 2 字节开始是用于标识 MQTT 数据包长度的字段，最少一个字节，最大四个字节，每一个字节的低 7 位用于标识值，范围为 0~127。最高位的
1 位是标识位，用来说明是否有后续字节来标识长度。例如：标识为 0，代表为没有后续字节；标识为 1，代表后续还有一个字节用于标识包长度。MQTT
协议规定最多可以用四个字节来标识包长度。

所以这四个字节最多可以标识的包长度为：(0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F) = 268435455 字节，约 256M，这个是 MQTT
协议中数据包的最大长度。

注意：Remain Length 的值不包含固定头的大小，包括第 1 字节和 Remain Length 字段。

1.5 小结

我们在这一课中学习了 MQTT 的通信模型，以及 Client 和 Broker 的概念，同时也学习了 MQTT
数据包的格式。接下来我们开始收发数据的第一步：从 Client 连接到 Broker。

相关资料：

* MQTT Client 库在多种语言中的库实现
<https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries>
点击了解更多《MQTT 协议快速入门》
<https://gitbook.cn/m/mazi/comp/column?columnId=5be4f4df2c33167c317beb8c&utm_source=fqsd001>


<http://gitbook.cn/gitchat/column/5be4f4df2c33167c317beb8c?utm_source=csdn_blog>

第02课：建立到 MQTT Broker 的连接（一）
<http://gitbook.cn/gitchat/column/5be4f4df2c33167c317beb8c?utm_source=csdn_blog>

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第03课：建立到 MQTT Broker 的连接（二）
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第04课：订阅与发布（一）
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第05课：订阅与发布（二）
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第06课：QoS0 和 QoS1
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第07课：QoS2 和 QoS 的最佳实践
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第08课：Retained 消息和 LWT
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第09课：Keep Alive 和连接保活
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第10课：实战 IoT+AI（一）
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第11课：实战 IoT+AI（二）
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第12课：搭建 MQTT Broker 和安全实践
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第13课：MQTT 5.0 协议新特性
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附录：常见问题解答
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阅读全文: http://gitbook.cn/gitchat/column/5be4f4df2c33167c317beb8c
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