代码收藏家 物联网MQTT协议详解：最全面、最简洁的讲解
一、MQTT的背景和简介
MQTT是一个基于发布/订阅范式的“轻量级”消息协议，它工作在TCP/IP协议族上，并为低带宽、高延迟或不稳定的网络环境提供了可靠的消息传输服务。MQTT的最初设计是为了满足石油和天然气管道的远程监控需求，但随着时间的推移，其应用领域已经扩展到了包括智能家居、工业自动化、智慧城市在内的多个领域。
二、MQTT是什么
MQTT协议全称是（Message Queuing Telemetry Transport），即消息队列遥测传输协议。是一种基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通讯协议，并且该协议构建于TCP/IP协议之上，我们知道TCP协议本身就具有高可靠性的特点，因此基于其上的MQTT协议同样也是具有高可靠、低开销的特点，之所以低开销，是以为MQTT协议传输的最小的报文也只有两个字节。
实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
三、一些专业术语
网络连接 MQTT 使用的底层传输协议(TCP)基础设施。客户端使用它连接服务端。它提供有序的、可靠的、双向字节流传输。
应用消息 MQTT 协议通过网络传输应用数据。应用消息通过 MQTT 传输时，它们有关联的服务质量（QoS） 和主题（Topic） 。
客户端 使用 MQTT 的程序或设备。客户端总是通过网络连接到服务端。它可以
1.发布应用消息给其它相关的客户端。
2.订阅以请求接受相关的应用消息。
3.取消订阅以移除接受应用消息的请求。
4.从服务端断开连接。
服务端 一个程序或设备，作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端之间的中介。服务端
1.接受来自客户端的网络连接。
2.接受客户端发布的应用消息。
3.处理客户端的订阅和取消订阅请求。
4.转发应用消息给符合条件的已订阅客户端。
订阅
订阅包含一个主题过滤器（Topic Filter）和一个最大的服务质量（QoS）等级。订阅与单个会话（Session） 关联。会话可以包含多于一个的订阅。会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。
主题名
附加在应用消息上的一个标签，服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。
主题过滤器
订阅中包含的一个表达式，用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符。
会话
客户端和服务端之间的状态交互。一些会话持续时长与网络连接一样，另一些可以在客户端和服务端的多个连续网络连接间扩展。
控制报文
通过网络连接发送的信息数据包。MQTT规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH报文） 用于传输应用消息。
四、消息质量
MQTT消息质量有三个等级，QoS 0，QoS 1和 QoS 2。
QoS 0：最多分发一次。消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络，协议里没有定义应答和重试，消息要么只会到达服务端一次，要么根本没有到达。消息可能会丢失。例如，这个等级可用于环境传感器数据，单次的数据丢失没关系，因为不久之后会再次发送。
QoS 1：至少分发一次。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或发送设备异常，或者指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。(保证交付功能)
QoS 2：只分发一次。这是最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。例如，这个等级可用在一个计费系统中，这里如果消息重复或丢失会导致不正确的收费。
eg.目前流行的共享单车智能锁，智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器，发送单车的当前位置，如果服务器没收到也没关系，反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置，找到单车后需要进行解锁，这时候可以使用QoS level 1质量消息，手机App不断的发送解锁消息给单车锁，确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后，需要提交付款表单，可以使用QoS level 2质量消息，这样确保只传递一次数据，否则用户就会多付钱了。
五、MQTT的报文结构
MQTT 控制报文的结构 ：固定报头+可变报头+有效负荷
固定报头：第一个字节高4位是MQTT控制报文的类型 + 第一个字节低4位用于指定控制报文类型的标志位(只在PUBLISH发布消息时用到) + 剩余长度1~4个字节(剩余长度字段最大4个字节)
可变报头：可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。
有效负荷：某些 MQTT 控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷，例如对于 PUBLISH 来说有效载荷就是应用消息。
可能包含有效载荷的控制报文有：CONNECT,PUBLISH,SUBSCRIBE,SUBACK,UNSUBSCRIBE
六、服务端代码
using HslCommunication.MQTT; //调用胡工提前写好的库
private MqttServer mqttServer = null;
public void Start()
{
mqttServer = new MqttServer();
mqttServer.ServerStart(6666);
mqttServer.ClientVerification += OnConnect;
mqttServer.OnClientDisConnected += OnClientOffline;
mqttServer.OnClientConnected += OnClientOnline;
mqttServer.OnClientApplicationMessageReceive += OnClientReceive;
}
/// <summary>
/// 客户端信息的字符串
/// </summary>
/// <param name="session"></param>
/// <returns></returns>
private string ClientInfoString(MqttSession session)
{
return string.Format("ID:{0}, 用户名:{1} ,Ip:{2}", session.ClientId, session.UserName, session.EndPoint);
}
七、客户端代码
using uPLibrary.Networking.M2Mqtt;
using uPLibrary.Networking.M2Mqtt.Messages;
private void btnConnect_Click(object sender, EventArgs e)
{
try
{
if (this.mqttClient != null)
{
List<string> lst = new List<string>();
foreach (SubscribeModel model in this.lstSubscribeTopic.Items)
{
lst.Add(model.Topic);
}
this.lstSubscribeTopic.Items.Clear();
if (lst.Count > 0)
{
ushort us = this.mqttClient.Unsubscribe(lst.ToArray());
}
this.mqttClient.Disconnect();
}
this.mqttClient = new MqttClient(this.txtServer.Text,6666, secure: false, null, MqttSslProtocols.None);
this.mqttClient.ConnectionClosed += MqttClient_ConnectionClosed;
this.mqttClient.MqttMsgPublished += MqttClient_MqttMsgPublished;
this.mqttClient.MqttMsgPublishReceived += MqttClient_MqttMsgPublishReceived;
this.mqttClient.MqttMsgSubscribed += MqttClient_MqttMsgSubscribed;
this.mqttClient.MqttMsgUnsubscribed += MqttClient_MqttMsgUnsubscribed;
byte success = this.mqttClient.Connect(this.txtClientId.Text);
if (success != 0 && this.mqttClient.IsConnected)
{
MessageBox.Show("连接失败！");
return;
}
this.btnConnect.Text = "断开连接";
this.rtbRecive.AppendText($"内容：连接MQTT服务器成功\r\n");
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show("连接失败！"+ ex.ToString());
}
}
作者：道传科技上位机
