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2.1.2 认识QoS(Quality of Service levels)
概述
本文详细介绍了MQTT相关的概念，报文结构内容。还详细对MQTT Message的消息结构体的内容进行分析，介绍每一个参数的具体含义和用法。最后使用EMQX和MQTT.fx工具搭建了一个MQTT工作机制的测试平台，便于深入体验和理解MQTT的运行原理。
1 认识MQTT
MQTT详细协议文档，参看：
https://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html#_Toc398718061
1.1 MQTT的定义
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport） 是一种基于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）。
下表总结一些MQTT协议的特点：
| 特点 | 描述 |
|---|---|
| 实现方式 | 客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，可实现一对多的消息发布 |
| 复杂程度 | 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) |
| 版本信息 | MQTT3.1.1 和 MQTT5 |
| QoS 服务质量等级 | 根据消息的重要性不同设置不同的服务质量等级 |
| 资源消耗 | 小型传输， 开销很小，协议交换最小化，以降低网络流量。 |
1.2 MQTT实现原理
MQTT 是一种基于Client------Server架构的消息传输协议，所以，在 MQTT 协议通信中，所有的Client必须经过Server才能进行通信。其基本架构如图一所示，对Broker而言，所有Client的地位都是平等的，其发布或者订阅消息，必须经过MQTT Broker处理，才能实现。
图一 MQTT通信架构图
1.3 MQTT架构的几个概念
1.3.1 MQTT Broker
MQTT Broker是一种消息传递代理服务器，它实现了MQTT协议并提供了消息传递的功能。
MQTT Broker主要有以下几个功能和特点：
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发布/订阅模式：MQTT Broker支持发布者（publishers）将消息发布到特定的主题（topics），订阅者（subscribers）可以订阅特定的主题来接收消息。这种发布/订阅模式使得消息传递更加灵活和可扩展。
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轻量级：MQTT Broker的协议设计非常轻量级，占用的带宽和资源较少。这使得MQTT Broker非常适合在资源受限的设备和网络条件下使用，如物联网设备和低带宽网络等。
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可靠性：MQTT Broker提供了一些可靠性保证机制，如QoS（Quality of Service）等级。QoS级别分为0、1和2三个级别，提供了不同的消息传递保证和可靠性。
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扩展性：MQTT Broker可以支持大量的发布者和订阅者，并且支持多种不同的消息传递场景。通过合理的架构设计和配置，可以实现高可扩展性和高并发性。
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安全性：MQTT Broker支持基于用户名和密码的身份验证，以及TLS/SSL等加密通信方式，保证消息传递的安全性。
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灵活性：MQTT Broker可以与其他系统和服务进行集成，如消息队列、数据库和Web应用等。这使得MQTT Broker在各种应用场景中都能灵活使用。
1.3.2 MQTT Client
MQTT Client是一种实现了MQTT协议的客户端库或软件，用于连接MQTT代理（也称为MQTT服务器）并进行发布和订阅消息的操作。MQTT Client可以是嵌入式设备上的软件库，也可以是计算机或移动设备上的独立应用程序。
MQTT Client提供了许多功能和接口，使开发人员可以轻松地使用MQTT协议进行通信。一般来说，MQTT Client具有以下主要功能：
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连接管理：MQTT Client可以与MQTT代理建立稳定的网络连接并维持心跳保持活动状态。
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认证和安全性：MQTT Client可以提供认证机制，确保只有经过授权的设备可以连接和发送消息。同时，它还可以支持加密传输，保护消息的机密性。
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发布和订阅消息：MQTT Client可以发布消息到指定主题（Topic）或订阅特定主题来接收消息。它可以支持不同的消息质量等级，如最多一次、至少一次和只有一次。
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消息保留：MQTT Client可以选择将消息保留在服务器上，以便新的订阅者能够获取最新的消息。
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遗嘱消息：MQTT Client可以设置一个遗嘱消息，以便在连接异常断开时，代理可以将该消息发送给所有订阅者。
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QoS级别：MQTT Client可以选择消息的传输质量等级（Quality of Service），以确保可靠的消息传递。
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异步通信：MQTT Client可以使用异步机制来处理消息，以避免阻塞主线程。
1.3.3 发布消息
MQTT采用发布-订阅模式，其中消息的发布方被称为发布者，而消息的接收方被称为订阅者。
要发布消息到MQTT中，首先需要连接到MQTT代理（broker）。连接时需要提供代理的地址和端口号，并且可以选择是否使用安全连接（例如使用TLS/SSL）。
连接成功后，发布者可以选择一个主题（topic）来发布消息。主题是消息的分类标签，订阅者可以根据主题来过滤接收到的消息。发布者可以将消息内容以及主题信息发送给MQTT代理，代理负责将消息传递给订阅了该主题的订阅者。
发布消息的具体步骤如下：
-
建立与MQTT代理的连接。
-
发布者选择一个主题。
-
发布者确定消息的质量等级。
-
发布者将消息内容和主题信息发送给MQTT代理。
-
MQTT代理负责将消息传递给订阅了该主题的订阅者。
通过发布消息，可以实现设备之间的实时通信和数据传输，使得物联网设备的集成和交互更加灵活和可靠。
1.3.4 订阅消息
在MQTT中，设备可以通过订阅主题来接收消息。订阅主题类似于消息的分类，每个主题可以有多个订阅者。当有新的消息发布到主题时，所有订阅了该主题的设备都会收到相应的消息。
设备订阅消息的过程如下：
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设备连接到MQTT代理服务器。
-
设备发送订阅请求，指定要订阅的主题。
-
MQTT代理服务器确认订阅请求，并记录设备与主题之间的关系。
-
当有新消息发布到设备订阅的主题时，MQTT代理服务器将消息发送给所有订阅该主题的设备。
-
设备接收到消息，并进行相应的处理。
通过MQTT订阅消息，设备可以实时获取感兴趣的数据，并根据需要进行相应的操作。这种发布-订阅模式使得设备之间的通信更加灵活和高效，适用于各种物联网应用场景。
2 认识MQTT报文结构
2.1 MQTT消息体结构
MQTT发布一则消息，需要如下内容，如图二所示
| 功能 | 内容 | 注释 |
|---|---|---|
| 主题（Topic） | switch | MQTT发布Message必须指定一个“主题” |
| 消息体（Payload） | { "switch": false } | 主题（Topic）下的消息内容 |
| 服务质量等级（QoS） | QoS0 | 可选择QoS0、QoS1、QoS2 |
| 保留标志（retained) | Disable | Broker上是否保留消息 |
图二 发布消息体内容
2.1.1 认识主题（Topic）
-
主题的一般范例
Topic就是代表某种含义的一串字符，例如: "humidity", "lux_value","relay-1"。编写Topic必须注意如下规范：
1）主题是区分大小写的
2）主题可以使用空格
3）使用英文主题
-
主题分级
MQTT协议为了更好的对主题进行管理和分类，支持主题分级，对主题进行分级处理，各个级别之间使用" / "符号 进行分隔。 举个例子：
"fac/tsb/rly/state"
在以上示例中一共有四级主题，分别是第 1 级 fac、第 2 级 tsb、第三级 rly、第 4 级 state。
-
通配符
当客户端订阅主题时，可以使用通配符同时订阅多个主题。通配符只能在订阅主题时使用，下面我们将 介绍两种通配符：单级通配符和多级通配符。
| 通配符 | 说明 | 范例 |
|---|---|---|
| + | 单级通配符可以匹配任意一个主题级别， 注意是一个主题级别 | fac/tsb/+/state 可以匹配： fac/tsb/rly-1/state fac/tsb/rly-2/state fac/tsb/rly-3/state |
| # | 多级通配符自然是可以匹配任意数量个主题级别， 而不再是单一主题级别 | fac/tsb/# 可以匹配： fac/tsb/rly-1/state fac/tsb/humidity/value fac/tsb/fun/state |
2.1.2 认识QoS(Quality of Service levels)
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，提供了三种不同级别的 QoS（Quality of Service） ，也就是 MQTT 协议有三种服务质量等级：
| QoS值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | MQTT 服务端和客户端不会对消息传输是否成功进行确认和检查。消息能否成功 传输全看网络环境是否稳定。 |
| 1 | 发送端在消息发送完成后，会检查接收端是否已经成功接收到了消息。发送端向接收端发送 PUBLISH 报文，当接收端收到 PUBLISH 报文后会向发送端回复一个 PUBACK 报 文， 如果发送端收到 PUBACK 报文，那么它就知道消息已经被接收端成功接收 |
| 2 | MQTT 协议可以确保接收端只接收一次消息 |
为了更好的理解 QoS，下面通过3张图来描述其工作流程：
1）QoS = 0
2）QoS = 1
3）QoS = 2
MQTT 服务质量最高级是 2 级，即 QoS=2。当 MQTT 服务质量为 2 级时， MQTT 协议可以确保接收端只接收一次消息。 为了确保接收端只接收到一次消息， PUBLISH 报文的收发过程相对更加复杂 ，其具体步骤如下：
| 执行Step | 完成的任务 |
|---|---|
| 1 | publiser向subscriber发送 报文 |
| 2 | subscriber接收到 PUBLISH 报文后，向publiser回复一个 PUBREC 报文 |
| 3 | publiser收到 PUBREC 报文后，会再次向subscriber发送 PUBREL 报文 |
| 4 | subscriber接收到 PUBREL 报文后，会再次向publiser回复一个 PUBCOMP 报文。 如果publiser接收到 PUBCOMP 报文表示消息传输成功，它确认subscriber已经成功接收到消息 |
2.1.3 保留标志（retained)
MQTT Broker对MQTT Client发布的消息进行保留，如果有其它MQTT Client订阅了该消息对应的主题时，MQTT Broker会立即将保留消息推送给subscriber， 而不必等到publiser向主题发布新消息时subscriber才会收到消息。
现在使用以MQTT.fx作为MQTT Client， 连接EMQX ( MQTT Broker )
使能Retained后，发布一个switch消息，在EMQX 上可以看见保留消息面板存在 topic为switch的消息
2.2 MQTT心跳包
MQTT Client在没有向MQTT Broker发送消息的空闲时间里，定时向MQTT Broker发送一个心跳包， 这个心跳包被称为心跳请求，其实质就是向MQTT Broker发送一个 PINGREQ 报文；当MQTT Broker收到PINGREQ 报文后就知道该MQTT Client依然在线，然后向MQTT Client回复一个 PINGRESP 报文，称为心跳响应。
登录到EMQX服务器上，可以看见每个Client 都有心跳时间。
2.3 MQTT遗嘱机制
客户端断开与服务端的连接通常是有两种方式的：
| 断开方式 | 描述 |
|---|---|
| 主动断开连接 | Client主动向Broker发送 DISCONNECT 报文，请求断开连接， |
| 异常断开连接 | Client意外掉线。被动与Broker断开了连接。 |
MQTT 协议允许Client在“Onlive”状态写好遗嘱，一旦Client意外断线，Broker就可以将Client的遗嘱消息广播出去。下面总结遗属Message被广播的步骤：
step - 1： Client在“Onlive”状态写好遗嘱messge
step - 2： Client意外原因断开与Broker连接
step - 3：Broker监测到Client断开连接，Broker广播遗嘱messge给subcriber
遗属Message的消息体如下：
| 内容 | 说明 |
|---|---|
| willTopic | 遗嘱主题 |
| willMessage | 遗嘱消息 |
| willRetain | 遗嘱消息的保留标志 |
| willQoS | 遗嘱消息的 QoS |
2.4 MQTT 用户认证
MQTT Client 的用户名和密码是连接MQTT Broker的重要参数，其主要用于Broker可以方便的管理每个Client。登录EMQX服务器，可以看见，使能 password_based 功能后，所有的Client连接该Broker必须输入正确的用户名和密码才能登录。
3 体验MQTT
现在使用EMQX搭建一个MQTT Broker，并创建3个user,使用MQTT.fx连接MQTT Broker实现数据数据发布和订阅功能。
Step-1： 登录EMQX创建3个Client
Step-2：使用MQTT.fx模拟3个Client登录该MQTT Broker
Step-3：
实现功能：
mqtt_user1发布消息：
{
"switch": false
}mqtt_user2和mqtt_ubuntu_user订阅这个消息
1） mqtt_user1发布消息
2）mqtt_user2和mqtt_ubuntu_user订阅这个消息
查看订阅消息的内容，其和mqtt_user1发送的消息一致
