代码收藏家 STM32物联网实战 | Mqtt通信详解：从原理到实战
1、MQTT协议介绍
Mqtt协议简介
MQTT是机器对机器(M2M)/物联网(IoT)连接协议。它被设计为一个极其轻量级的发布/订阅消息传输协议。对于需要较小代码占用空间和/或网络带宽非常宝贵的远程连接非常有用，是专为受限设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计。
MQTT是一个客户端-服务端架构的发布/订阅模式的消息传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，易于实现。这些特点使得它对很多场景来说都是很好的选择，特别是对于受限的环境如机器与机器的通信（M2M）以及物联网环境（IoT）。
MQTT 消息质量
MQTT设计了一套保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传。在这套机制下，提供了三种不同层次QoS（Quality of Service）
| MQTT消息质量 | |
|---|---|
| QoS0 | 发送就不管了，最多一次； |
| QoS1 | 发送之后依赖MQTT规范，是否启动重传消息，所以至少一次； |
| QoS2 | 发送之后依赖MQTT消息机制，确保只有一次。 |
MQTT 协议方法
MQTT协议中定义了一些方法，客户端可以通过这些方法实现连接服务器、订阅主题、发布主题等操作。
| MQTT方法 | |
|---|---|
| Connect | 等待与服务器建立连接。 |
| Disconnect | 等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。 |
| Subscribe | 等待完成订阅。 |
| UnSubscribe | 等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。 |
| Publish | MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。 |
MQTT 工作原理
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。
MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：
（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。
| Mqtt客户端请求/响应的步骤 |
|---|
| 1、发布其他客户端可能会订阅的信息； |
| 2、订阅其它客户端发布的消息； |
| 3、退订或删除应用程序的消息； |
| 4、断开与服务器连接。 |
| MQTT服务器请求/响应步骤 |
|---|
| 1、接受来自客户的网络连接； |
| 2、接受客户发布的应用信息； |
| 3、处理来自客户端的订阅和退订请求； |
| 4、向订阅的客户转发应用程序消息； |
2、Mqtt组包规则
看完了上面的简介，接下来我就手把手的教大家如何组MQTT的协议包，其实也就是一串十六进制，并且通过组好的包连接上我们的服务器，并且实现主题订阅和发布。以下组成报文我就不逐个解释了，主要是针对一些有基础的朋友。这个组包规则是我每天花一个小时时间写的，整整肝了一个星期，所以大家不要吝啬点赞和收藏啊，感谢你们的不吝支持。
（1）MQTT连接准备
下面就是我们连接MQTT所需要的鉴权三元组，我们的MQTT服务器就是通过这个来实现对设备的鉴权操作的。
| 鉴权三元组 | |
|---|---|
| CLIENTID | 111|hmvcfu |
| USERNAME | hmvcfu |
| PASSWORD | a02d6361531c2dae941d5b022982d944 |
MQTT 连接报文
| Bit | 描述 | HEX | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 固定报头 | |||||||||||
| byte1 | 固定报头 | 0x10 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 剩余长度 | |||||||||||
| byte2 | Length MSB | 0x40 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| byte3 | Length LSB | 0x00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 协议名称 | |||||||||||
| byte4 | 'M' | 0x4D | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | |
| byte5 | 'Q' | 0x51 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
| byte6 | 'T' | 0x54 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | |
| byte7 | 'T' | 0x54 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | |
| 协议级别 | |||||||||||
| byte8 | Level (4) 级别 | 0x04 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | |
| 连接标志 Connect Flags | |||||||||||
| User Name Flag | Password Flag | Will Retain | Will QoS | Will Flag | Clean Session | Reserved | |||||
| byte9 | 连接标志位 | 0xC0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 保活时间 | |||||||||||
| byte10 | Length MSB | 0x00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| byte11 | Length LSB | 0x78 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | |
| 客户端ID长度 | |||||||||||
| byte12 | Length MSB | 0x00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| byte13 | Length LSB | 0x0A | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | |
| 客户端ID数据部分 | |||||||||||
| byte31 | 如果长度不为0，这里就是数据部分 | 0x31 0x31 0x31 0x7C 0x68 0x6D 0x76 0x63 0x66 0x75 0x00 0x06 0x68 0x6D 0x76 0x63 0x66 0x75 | |||||||||
| 用户名长度 | |||||||||||
| byte32 | Length MSB | 0x00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| byte33 | Length LSB | 0x06 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | |
| 用户名数据部分 | |||||||||||
| byte39 | 如果长度不为0，这里就是数据部分 | 0x68 0x6D 0x76 0x63 0x66 0x75 | |||||||||
| 密码长度 | |||||||||||
| byte40 | Length MSB | 00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| byte41 | Length LSB | 20 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 密码数据部分 | |||||||||||
| byte69 | 如果长度不为0，这里就是数据部分 | 0x61 0x30 0x32 0x64 0x36 0x33 0x36 0x31 0x35 0x33 0x31 0x63 0x32 0x64 0x61 0x65 0x39 0x34 0x31 0x64 0x35 0x62 0x30 0x32 0x32 0x39 0x38 0x32 0x64 0x39 0x34 0x34 | |||||||||
（2）MQTT订阅主题准备
订阅主题之前，我们要定义好一个订阅主题（Topic），这样订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）。
| 订阅主题 | |
|---|---|
| 主题名称 | sys/hmvcfu/control |
订阅主题报文
| Bit | 描述 | HEX | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 固定报头 | ||||||||||||
| byte1 | 固定报头 | 82 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | ||
| 剩余长度=可变报头长度+主题名称长度+服务质量等级所占字节数 | ||||||||||||
| byte2 | Length | 17 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | ||
| 可变报头长度=主题名称长度+主题名称长度的占字节数 | ||||||||||||
| byte3 | Length MSB | 0x00 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| byte4 | Length LSB | 0x14 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| 主题名称长度 | ||||||||||||
| byte5 | Length MSB | 0x00 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | ||
| byte6 | Length LSB | 0x12 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | ||
| byte24 | 如果长度不为0，这里就是数据部分 | 0x73 0x79 0x73 0x2F 0x68 0x6D 0x76 0x63 0x66 0x75 0x2F 0x63 0x6F 0x6E 0x74 0x72 0x6F 0x6C | ||||||||||
| 服务质量等级 | ||||||||||||
| byte25 | 服务质量等级 | 0x00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
（3）发布主题准备
发布主题之前，我们要定义好一个发布主题（Topic），将数据包封装好之后，就会发布消息内容（payload）给订阅了这个主题的订阅者。
| 发布主题 | |
|---|---|
| 主题名称 | sys/hmvcfu/post |
| 数据包 | {“msg”:{“paramdata”:[{“temp”:20,“humi”:98}]}} |
发布主题报文
| Bit | 描述 | HEX | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 固定报头 | ||||||||||||
| byte1 | 固定报头 | 0x30 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| 剩余长度=主题名称长度+数据包长度 | ||||||||||||
| byte2 | Length | 0x3E | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | ||
| 主题名称长度 | ||||||||||||
| byte3 | Length MSB | 0x30 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| byte4 | Length LSB | 0x07 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | ||
| 主题名称 | ||||||||||||
| byte19 | 紧跟着的是主题名称 | 0x73 0x79 0x73 0x2F 0x68 0x6D 0x76 0x63 0x66 0x75 0x2F 0x70 0x6F 0x73 0x74 | ||||||||||
| 数据包 | ||||||||||||
| byte64 | 紧跟着的是数据包 | 0x7B 0x22 0x6D 0x73 0x67 0x22 0x3A 0x7B 0x22 0x70 0x61 0x72 0x61 0x6D 0x64 0x61 0x74 0x61 0x22 0x3A 0x5B 0x7B 0x22 0x74 0x65 0x6D 0x70 0x22 0x3A 0x32 0x30 0x2C 0x22 0x68 0x75 0x6D 0x69 0x22 0x3A 0x39 0x38 0x7D 0x5D 0x7D 0x7D | ||||||||||
3、实战MQTT通信
下面就是我们要用到的MQTT服务器，这个是EMQ官方搭建的公共MQTT服务器，并不需要交一分钱。
| MQTT服务器 | |
|---|---|
| IP地址 | broker-cn.emqx.io |
| 端口号 | 1883 |
（1）MQTT.fx工具（模拟客户端）连接服务器
我们祭出MQTT.fx工具，填入IP地址和鉴权三元组，就可以连接上MQTT服务器（其实不用三元组也可以连接，这个是为了模拟有三元组的时候）。
连接服务器
捕捉到的MQTT连接报文
捕捉到的MQTT连接成功响应报文
订阅主题
捕捉到的MQTT订阅报文
捕捉到的MQTT订阅成功响应报文
发布主题
捕捉到的MQTT发布报文（没有成功响应的报文）
断开连接
捕捉到的MQTT断开连接报文
（2）网络调试助手（模拟单片机）连接服务器
我们可以通过网络调试助手模拟单片机的方式，通过发送十六进制数据来连接我们的服务器。
网络调试助手连接服务器
网络调试助手订阅主题
网络调试助手发布主题
网络调试助手断开服务器
