物联网平台的标配—MQTT
作者 | 付强
责编 | odd
最近的 BAT 动向，都把 MQTT 作为物联网前置接入套件单列出来作为标准云服务提供。阿里云物联网套件，百度开放云物联网服务 IOT，腾讯 QQ 物联平台，中移动 OneNet 开放云，Amazon IOT 服务......今天，来聊聊 MQTT 协议的基本概念和术语，核心内容包括：
- MQTT 协议的通信模型
- MQTT Client
- MQTT Broker
- MQTT 协议数据包
01
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。
02
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，可以在这里找到。
本文中，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。
03
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。
我们在之前文章面提到的阿里云、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。
在本文中，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。
04
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：
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：
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：
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。）