IOT-MQTT协议粗解

1.MQTT 简述

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，可以以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。
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。

2 MQTT 功能介绍

MQTT 协议运行在 TCP/IP 或其他网络协议之上，它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。当应用数据通过 MQTT 网络发送时， MQTT 会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连，其特点包括：

1. 使用发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。
2. 对负载内容屏蔽的消息传输机制。
3. 对传输消息有三种服务质量（QoS）：
   1. 最多一次，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
   2. 至多一次，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>=1
   3. 只有一次，确保消息只有一次到达。即：＝1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。
4. 数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有2字节），以减少网络流量。
5. 通知机制，异常中断时通知传输双方。

3 MQTT 客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

• 与服务器建立连接
• 发布其他客户端可能会订阅的信息
• 接收其它客户端发布的消息
• 退订已订阅的消息
  4.MQTT 协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作）， 用来表示对确定资源所进行操作。 这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。

• 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。
  5.MQTT 协议中的订阅、主题、会话

• 订阅（Subscription）
  订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

• 会话（Session）
  每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

• 主题名（Topic Name）
  连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

• 主题筛选器（Topic Filter）
  一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

• 负载（Payload）
  消息订阅者所具体接收的内容。

• 应用消息 Application Message
  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）。

• 控制报文 MQTT Control Packet
  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。

下面结合rtthread系统第三方包my-mqtt的代码进行分析：

1.mqtt协议的依托接触是TCP协议，在网络的传输层以上。Mqtt的使用主要分为以下几个动作：

• mqtt客户端与服务器之间通过协议底层的socket实现连接。

• Mqtt客户端订阅主题，同样是通过最底层的socket发送出去。

• Mqtt客户端接收服务器推送所订阅主题的信息。

• Mqtt客户端可将指定主题的内容发布到服务器。

• 客户端与服务器之间建立心跳包机制。
  -以上所有动作都依赖于mqtt协议中包含的14条指令类型。

2.my-mqtt是在espcle paho_mqtt版本基础优化来的，下面按照个人理解去解释该代码在具体工作时的机制是什么。

• paho_mqtt_start函数是整个mqtt的开始，开始前需要先设置好mqtt_client中的参数，在该函数中工作比较简单，主要是创建了一个互斥量和一个消息队列，创建了一个主线程（paho_mqtt_thread）实现接下来的所有操作。
• 在paho_mqtt_thread主线程中，对所有的参数进行了检查，然后解析url并socket连接到mqtt服务器（函数是net_connect），成功和服务器建立socket连接后进行mqtt服务器的真正连接，这里涉及到了用户名、密码等参数的使用，然后实现connect的回调。
• 客户端与服务器实现mqtt连接后，客户端就可以根据client结构体中主题表实现多个topic的订阅，然后实现上线的回调。

mqtt_subscribe(c, topic, qos);
...
c->online_callback(c);

• 然后函数进入线程的主循环中，在该循环中实现了ping包（心跳包）的发送：

len = MQTTSerialize_pingreq(c->buf, c->buf_size);
      rc = send_packet(c, c->buf, len);

由于客户端已经服务器建立了socket连接，为了高效的实现来自服务器数据的接收，使用了

select(c->sock+ 1, &readset, RT_NULL, RT_NULL, &timeout);

如果有接收到数据，则处理接收数据（mqtt_cycle©函数负责）

if (FD_ISSET(c->sock, &readset)) {
      rc_t = mqtt_cycle(c);
      if (rc_t < 0)    goto __mqtt_disconnect;
    }

• 到了这一步就可以等着服务器的推送了，其处理函数就是mqtt_cycle()函数，在该函数中，先对接收的数据进行解析，判断包的类型，比如是应答还是推送。这里用到的消息类型主要有UNSUBACK、SUBACK、PUBCOMP、PUBACK、CONNACK、PUBREC、PUBREL。当收到的是连接、订阅后的回复时，则将回复的消息发送到消息队列中：

case SUBACK:
    {
...      
        rt_mq_send(c->msg_queue, &msg, sizeof(mqtt_message_ack));
    } 

当接收到的是publish后的回复，也就是消息等级为1 or 2时，直接处理。

case PUBREL:
    {
      ... 
      if (MQTTDeserialize_ack(&type, &dup, &mypacketid, c->readbuf, c->readbuf_size) != 1)
      ...
      else if ((rc = send_packet(c, c->buf, len)) != PAHO_SUCCESS) // send the PUBREL packet
          ...
    }

• 以上已经完成了主题订阅及接收服务器推送的数据处理，现在再看一下客户端想要往服务器发送某主题的数据时是如何操作的。paho_mqtt_publish函数如下：

int paho_mqtt_publish(mqtt_client *client, enum QoS qos, const char *topic, void *payload, size_t length)

该函数中有client参数、QoS等级、topic主题、payload载荷、消息长度。然后根据入参进行组建成符合mqtt协议的数据格式。组装完后调用send_packet发布到服务器。

send_packet(client, client->buf, len))

发送完后阻塞一定时间等待消息队列的数据，即服务器的应答，从而判断是否成功。
这里需要再深入理解三个等级的具体工作流程，下图是等级0的流程：
如上图所示，发布者向服务器发布消息后，服务器不会应答，服务器直接推送给订阅者。下图是等级1的流程：

如上图所示，发布者向服务器发布消息后，服务器会应答一个puback包，以表示服务器收到了，服务器推送给订阅者后，订阅者会应答一个puback包。下图是等级2的流程：

如上图所示，发布者向服务器发布消息后，服务器会应答一个PUBREC包，以表示服务器收到了，发布者再发送一个PUBREL包，询问服务器是真的收到了吗，服务器再给应答一个PUBCONP包告诉发布者真收到了。服务器推送给订阅者后，订阅者应答一个PUBREC包，以表示订阅者收到了，服务器再发送一个PUBREL包，询问订阅者是真的收到了吗，订阅者再给应答一个PUBCONP包告诉服务器真收到了。