一 概述
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，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，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，用极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。
作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
二 MQTT协议特点
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。
MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。
其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。
MQTT协议当前版本为，2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外，还有一个简化版
MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络，如：ZigBee。MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。
MQTT OSI
发布和订阅
MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由
MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。
MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。
它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。
服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！
客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之。
客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。
消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠
/作为分隔符号。我们来看看下面的设置。
- 光伏发电站是发布者（
Publisher）。 - 主要主题（
Topic）级别是"PV"，这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data"； "PV/sunshine"是一个布尔值（true/fault，也可以是 1/0），充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车（仅在阳光普照时
）。- 充电站（EVSE）是订阅者，订阅
"PV/sunshine"从服务器获取信息。 "PV/data"另一方面，以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率，并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅，以生成一天内传输功率的图表。
这就是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示；
MQTT 发布和订阅
QoS（Quality of Service levels）
服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器，则客户端将是发送者，MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。
QoS 0
这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1
QoS 1
QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。
QoS 2
使用 QoS 2，我们保证消息仅传送到目的地一次。为此，带有唯一消息 ID 的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者。QoS 级别 2 在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。
三 MQTT 数据包结构
固定头（Fixed header），存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识；可变头（Variable header），存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容；消息体（Payload），存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容；
整体MQTT的消息格式如下图所示；
3.1 MQTT固定头
固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：
下面简单分析一下固定头的消息格式；
MQTT消息类型 / message type
**位置：**byte 1, bits 7-4。
4位的无符号值，类型如下：
td {white-space:nowrap;border:1px solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}
| 名称 | 值 | 流方向 | 描述 |
| Reserved | 0 | 不可用 | 保留位 |
| CONNECT | 1 | 客户端到服务器 | 客户端请求连接到服务器 |
| CONNACK | 2 | 服务器到客户端 | 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（保证第1部分到达） |
| PUBREL | 6 | 双向 | 发布释放（保证第2部分到达） |
| PUBCOMP | 7 | 双向 | 发布完成（保证第3部分到达） |
| SUBSCRIBE | 8 | 客户端到服务器 | 客户端请求订阅 |
| SUBACK | 9 | 服务器到客户端 | 订阅确认 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | 客户端到服务器 | 请求取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | 服务器到客户端 | 取消订阅确认 |
| PINGREQ | 12 | 客户端到服务器 | PING请求 |
| PINGRESP | 13 | 服务器到客户端 | PING应答 |
| DISCONNECT | 14 | 客户端到服务器 | 中断连接 |
| Reserved | 15 | 不可用 | 保留位 |
标识位 / DUP
**位置：**byte 1, bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：
td {white-space:nowrap;border:1px solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}
| 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 | DUP1 | QoS2 | QoS2 | RETAIN3 |
| 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 |
DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为 1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。QoS发布消息的服务质量（前面已经做过介绍），即：保证消息传递的次数00：最多一次，即：<=101：至少一次，即：>=110：一次，即：=111：预留
RETAIN：发布保留标识，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，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。
剩余长度（Remaining Length）
位置：byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为 1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0
3.2 MQTT可变头 / Variable header
MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是做为包的标识： td {white-space:nowrap;border:1px solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}
| Bit | 7 — 0 |
| byte 1 | 包标签符（MSB） |
| byte 2… | 包标签符（LSB） |
很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：
PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、
SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK
3.3 Payload消息体
Payload消息体是MQTT数据包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体：CONNECT，消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。SUBACK，消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。
四 MQTT服务器搭建
目前MQTT代理的主流平台有下面几个：
- Mosquitto：https://mosquitto.org/
- VerneMQ：https://vernemq.com/
- EMQTT：http://emqtt.io/
五 MQTT模拟客户端
目前MQTT主流模拟客户端有下面几个：
- MQTT fx：https://www.softblade.de/
- MQTTX：https://mqttx.app/zh/downloads?os=windows
六 MQTT协议使用场景
MQTT协议的应用场景非常丰富，特别是在物联网领域。以下是对MQTT协议应用场景的清晰归纳：
物联网设备控制和监控：MQTT被广泛应用于物联网设备之间的通信，如智能家居、智能城市和工业自动化等领域。设备可以发布自身状态到特定主题，用户或系统可以订阅这些主题来获取设备信息，实现对设备的远程监控与控制。
传感器数据传输：MQTT可以用于传感器数据的采集、传输和监控，例如气象站、环境监测等领域。传感器将采集到的数据通过MQTT协议发布到指定的主题，相关系统可以订阅这些主题以实时获取数据并进行处理。
实时信息发布和订阅：MQTT支持实时信息的发布和订阅，例如新闻、股票行情、天气预报等。信息发布者将信息发布到特定的主题，信息订阅者可以订阅这些主题以实时获取最新的信息。
聊天应用：MQTT也可以用于实时聊天应用的消息传输。通过MQTT协议，用户可以实现即时通讯，发送和接收消息。
远程监控和控制系统：在远程监控和控制系统中，MQTT可以用于实现远程设备的管理和控制。例如，远程监控摄像头可以通过MQTT协议将实时视频流发布到指定的主题，用户可以通过订阅这些主题来查看摄像头的视频内容。
数据传输和同步：MQTT还可以用于跨平台数据同步和数据备份等场景。通过将数据发布到MQTT主题，不同平台或设备可以订阅这些主题以实现数据的实时同步和备份。
位置跟踪：MQTT协议可以用于实时位置跟踪，例如车辆追踪、货物追踪等。相关设备可以通过MQTT协议将位置信息发布到指定的主题，跟踪系统可以订阅这些主题以实时获取位置信息。
智能城市管理：在智能城市管理中，MQTT可以用于实现不同设备之间的信息交互和协调。例如，路灯、交通信号灯、垃圾桶等设备可以通过MQTT协议连接到一个统一的平台，实现对这些设备的集中管理和控制。
农业物联网：MQTT可以应用于农业物联网系统中，实现对农田环境的监测和控制。传感器通过MQTT协议将农田的土壤湿度、温度等信息发布到指定的主题，农民可以订阅这些主题以实时了解农田环境情况，并进行相应的灌溉和施肥操作。
能源监测与管理：MQTT可用于能源监测与管理系统，如智能电网、智能能源监测等。通过将能源设备连接到MQTT网络，可以实时获取能源数据并进行能源调度和管理。
总结来说，MQTT协议在物联网领域具有广泛的应用场景，包括设备控制和监控、传感器数据传输、实时信息发布和订阅、聊天应用、远程监控和控制系统、数据传输和同步、位置跟踪以及智能城市管理、农业物联网和能源监测与管理等领域。这些应用场景展示了MQTT协议在物联网领域的强大功能和灵活性。
七 MQTT组件的使用
1 Gitee链接地址
组件位于amaziot_bloom_os_sdk\libraries\am\xtu\am_mqtt.c
Gitee源码地址：https://gitee.com/ning./hongdou
Github源码地址：https://github.com/ayumid/hongdou
2 应用层组件功能介绍
提供MQTT连接实例，可以通过调用组件内的API，来实现MQTT本地客户端和服务器之间的通信。
3 代码讲解
1 dtu_mqtt_wait_init_mqtt
功能：该函数用于，初始化MQTT。
参数：
参数 | 释义 |
st_dtu_file | 文件地址 |
返回值：无
示例：
//连接mqtt服务器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();2 dtu_mqtt_wait_connect_mqtt
功能：该函数用于，等待mqtt连接。
参数：无
返回值：无
示例：
//连接mqtt服务器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();3 dtu_mqtt_subscribe_topic
功能：该函数用于，订阅Topic。
参数：无
返回值：无
示例：
//订阅Topic
dtu_mqtt_subscribe_topic();4 dtu_mqtt_is_connect
功能：该函数用于，判断mqtt是否连接。
参数：
参数 | 释义 |
st_dtu_file | 文件地址 |
返回值：无
示例：
//判断是否配置了心跳
if(dtu_mqtt_is_connect(dtu_mqtt_ctx->dtu_mqtt_client) && dtu_file_ctx->gnss.gpsflag == 1)5 dtu_mqtt_disconnect
功能：该函数用于，断开mqtt连接状态。
参数：无
返回值：无
示例：
6 dtu_mqtt_msg_dl_arriver
功能：该函数用于，mqtt下行数据回调函数。
参数：无
返回值：无
示例：
mqtt_set_interceptor_handler(dtu_mqtt_t.dtu_mqtt_client,dtu_mqtt_msg_dl_arriver);7 dtu_mqtt_send
功能：该函数用于，mqtt信息发送。
参数：
参数 | 释义 |
data | 数据缓冲区指针 |
data_sz | 数据长度 |
返回值：无
示例：
dtu_mqtt_send(send, strlen(send));8 dtu_mqtt_send_serial_data
功能：该函数用于，at接口数据发送到mqtt服务器。
参数：
参数 | 释义 |
uartData | 数据指针 |
返回值：无
示例：
dtu_mqtt_send_serial_data(uartData);4 Demo实战
本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库
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