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1. 简介

MQTT是一种轻量级、发布/订阅模式的消息传输协议。它被设计用于低带宽、高延迟或网络不稳定的受限环境。

学习资料：B站尚硅谷

发布&订阅

特点

轻量级：占用系统资源较少，数据报文较小
可靠性：提供多种消息的质量等级
安全性较强：提供传输层、套接层的加密通讯
双向通信：MQTT客户端可发送数据，也可从代理中获取Data
多语言支持：PHP、Node.js、Python、Go、java

基本概念

MQTT客户端：运行MQTT客户端库的应用、设备
MQTT Broker：实现MQTT的代理软件
主题：Broker中一个普通字符串，用于对消息的分类

EXMQ

一款大规模分布式物联网 MQTT 消息中间件，是常用的 Broker 实现之一。
默认用户/密码：admin / public
可在linux下docker搭建

MQTTX

客户端软件

2. MQTT控制报文

报文是 MQTT 协议在网络中交换和传输的最小数据块。

常见报文

报文格式

固定报头 + 可变报头 + 有效载荷

固定报头

报文类型（4 bit）
占4个bit位，无符号整数。

标识位（4 bit）

• Bit 3： DUP，表示当前PUBLISH报文是否是重传。
• Bit 2，1： QoS，表示当前PUBLISH报文使用的服务质量等级。
• Bit 0：Retain，表示当前PUBLISH报文是否是保留消息。

剩余长度
MQTT报文长度 = 固定报头长度 + 剩余长度
剩余长度 = 可变报头长度 + 有效载荷长度

可变报头

内容取决于具体报文类型

举例：
CONNECT报文： 协议名+级别+连接标识+keep alive + 属性
PUBLISH报文：主题名 + 报文标识 + 属性

属性
以属性长度 和 属性内容 的 Key-Value 形式出现，提供了协议的扩展性。

• 不同报文的属性取值不同，用于传递元数据，如会话过期时间、消息过期间隔、用户属性等。

有效载荷

用于实现对应报文的核心功能

举例：
PUBLISH报文：Payload用于承载具体的应用消息内容
SUBSCRIBE报文：Payload包含需要订阅的主题、对应订阅的选项

3. QoS

MQTT 底层使用 TCP 协议，但 TCP 只能保证数据流不丢失，不能保证应用程序级别的消息投递，因此引入 QoS 机制。

QoS消息质量等级

在发送消息的时候，可以指定消息质量等级，一般broker获取到消息后，会按照发送时指定的质量等级发送给订阅者。特殊情况（订阅者指定了订阅消息的最大质量等级），消息等级可能发生改变。

4. 主题

本质是一个UTF-8编码的字符串，类似URL路径，使用“/”分层，不建议用“/”作为开头和结尾

test/10/temperature

不需要提前创建主题，MQTT客户端在订阅、发布消息时自动创建

主题通配符

系统主题

以$SYS/开头的主题，用于获取MQTT服务器自身运行状态、消息统计、客户端上下线事件等数据。

• 特点： 默认不允许远程客户端订阅（取决于 Broker 配置），通常用于监控 Broker 性能。
• 用途：获取集群状态、客户端连接/离线事件（如$SYS/brokers/+/clients/+/connected）等。
  详细使用见emqx文档

5. 会话

客户端与服务器之间的连接，每个客户端可以启动一个或多个会话，实现和服务器的消息传递。

常见配置

6. 消息

普通消息：在发送前对应的主题如果不存在订阅者，MQTT服务器会直接丢弃。
保留消息：可保留在MQTT服务器中，任何新的订阅者订阅与保留消息中的主题匹配的主题时，会立即接收到该消息。

保留消息

常见使用场景

• 智能家居设备的状态，只在变更时上报，但控制端需要在上线后就能获取到设备状态
• 传感器上报数据的间隔太长，但是订阅者需要在订阅后立即获取到最新的数据
• 传感器版本号、序列号等不会经常变更的属性，在上线后发布一条保留消息告知后续的所有订阅者

特点

• 每一个主题最多只有一条保留消息（即最后一条带有 Retain 标志的消息）。
• 客户端在建立新的订阅时，Broker 会检查该主题是否有保留消息，并立即发送给客户端。
• 必须在保留消息发布之后，客户端再订阅该主题才能收到。如果在保留消息发布前就已订阅，收到的只是后续的普通消息。

删除保留消息

• 发送空内容的保留消息： 发布一个 空载荷 且Retain = True的消息到该主题。
• 设置过期时间： 在发布保留消息时设置Message Expiry Interval，使其在达到时间后自动失效。

保留消息独立于会话。 即使使用Clean Start = 1创建新会话，只要你重新订阅了该主题，Broker 依然会发送保留消息。

消息过期间隔

通过Session Expiry Interval为离线客户端缓存未发送的消息，然后在客户端恢复连接时发送；但如果客户端离线时间较长，可能有一些寿命较短的寿命已经没有必要发送给客户端了，避免浪费网络带宽和客户端资源。

默认情况下，消息中不包含消息过期间隔，表示永不过期。

遗嘱消息

客户端在连接时在服务端中注册一个遗嘱消息，当客户端意外断开连接，服务端就会向其他订阅了相应主题的客户端发送此遗嘱消息，接收者可以及时采取行动，例如向用户发送通知、切换备用设备等。

遗嘱消息的设置发生在客户端发送CONNECT 报文时。

触发： 客户端意外断开连接（如Keep Alive 超时、网络错误）。Broker 会发布遗嘱消息。
不触发： 客户端正常关闭（发送DISCONNECT报文），或 Broker 正常关闭且客户端没有持久会话需要保留。

延迟发布

MQTT服务器收到发布者的消息后，延迟一段时间后再转发给订阅者
使用场景：
定时发送提醒、在特定时间点发布调度任务
主题格式：
$delay/{DelayInterval}/{TopicName}

• $delay/是前缀。
• {DelayInterval}：延迟时间间隔，单位为秒。
• {TopicName}：消息最终要发布的实际主题。

用户属性

允许在Publish、Subscribe、Connect、Disconnect等报文中携带附加信息，类似于http协议请求头。

应用场景：
日志记录：在发布和订阅报文中加入用户属性，帮助记录操作者信息、操作时间、原因说明等
消息分类标记：用来给消息添加标签、分类，如消息类型等，便于接收方进行过滤、排序、处理。

7. 订阅

订阅选项

订阅组成：

1. 主题过滤器：决定服务端将要向我们转发哪些主题下的消息
2. 订阅选项：是允许我们进一步定制服务端的转发行为（QoS、No Local、Retain As Published、Retain Handling）

QoS

表示服务端在向订阅端发送消息时可以使用的最大QoS等级
情况1：服务端支持最大QoS < 客户端订阅时请求的最大QoS

情况2：订阅时请求的最大QoS < 发布时的QoS

No Local

取值：
0（默认值）：服务端可以将消息转发给发布这个消息的客户端
1：不可以
常用于桥接场景，桥接本质是两个MQTT Server建立一个MQTT连接，相互订阅一些主题，Server将客户端消息转发给另一个Server，另一个Server则将消息继续转发给他的客户端。没有设置为1则会在Server之间来回转发，导致转发风暴

Retain As Published

取值：
0（默认值）： 服务端在向订阅者转发消息时，需要清除Retain标识
1： 服务端在向订阅者转发消息时，需要保持Retain标识不变
用于桥接，相互告知是保留消息，避免保留标识在server间互传时丢失。

Retain Handling

用于向服务端指示当订阅建立时，是否需要发送保留消息
取值：
0（默认值）： 只要订阅建立，就发送保留消息
1： 只有建立全新订阅，而不是重复订阅时，发送保留消息
2：订阅建立时不发送保留消息

共享订阅

普通订阅：每发布一条消息，所有匹配的订阅者都会收到消息的副本。当订阅者Subscriber消费速度无法跟上消息Publisher生产速度，达到瓶颈。

共享订阅：使MQTT服务端在使用特定订阅的客户端之间，均衡地分配消息负载。

提高吞吐量、形成高可用

共享订阅分类：

前缀格式	示例	前缀	真实主题名称	流程
带群组格式	$share/abc/t/1	$share/abc	t/1
不带群组格式	$queue/t/1	$queue	t/1

负载均衡算法：
通过DashBoard进行配置：随机、轮询、哈希、粘性、本地优先

排他订阅

共享订阅的一种特殊形式，用于保证单一处理者和自动故障转移
一个主题同一时刻仅允许一个订阅者存在。
$exclusive/t/1，前缀$exclusive，主题：t/1

错误码：
0x8F：使用了$exclusive，但未开启排他
0x97：已被订阅

自动订阅

在设备连接后，按照规则为其订阅指定主题，不需要额外发起订阅。

MQTT客户端编程注意事项

单片机(MCU)环境下MQTT开发

硬件与网络接入

• Wi-Fi 模块：如 ESP8266、ESP32。通过 UART（串口）发送 AT 指令来建立 TCP 连接。
• 4G 模块：如 SIM800 系列。同
• TCP/IP 协议栈，MCU 只需操作寄存器即可。

软件协议栈实现
在 MCU 上，你通常无法运行完整的 MQTT 库

• 使用嵌入式轻量级 C 库：业界最常用的是 Paho MQTT Embedded C 库。它专门针对资源受限设备优化，仅包含 MQTT 数据包的序列化与反序列化功能，内存占用极低。
• 手动构造报文（裸机开发）：如果资源极端受限，开发者需要手动拼接 MQTT 协议的十六进制报文（如 CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE 报文），并通过串口发送给网络模块。

核心开发步骤

• 配置网络：通过 AT 指令连接 Wi-Fi/4G，并建立到 MQTT Broker（如 EMQ X、阿里云 IoT）的 TCP 连接。
• MQTT 握手与保活：发送 MQTT CONNECT 报文进行身份认证（ClientID、Username、Password），并启动定时器发送 PINGREQ 心跳包以保持连接。
• 业务逻辑：通过定时器或事件触发，调用 PUBLISH 报文上报传感器数据；通过解析接收缓冲区的数据，处理服务端下发的控制指令。

基于Linux芯片环境开发

拥有完整的操作系统、丰富的内存和标准的 TCP/IP 协议栈。开发的核心原则是“调用标准库”和“异步事件驱动”。直接使用客户端库。
以C语音为例步骤：
环境准备：

• 在 Linux 系统中安装libmosquitto-dev库，或者在交叉编译工具链中配置该库

初始化与连接

• 调用mosquitto_lib_init()初始化库
• 创建实例mosquitto_new()
• 设置回调函数（如连接成功回调、消息接收回调）mosquitto_connect_callback_set()
• 连接到Broker mosquitto_connect()

订阅与发布

• 订阅主题：mosquitto_subscribe()
• 发布消息：mosquitto_publish()

事件循环：

• Linux 下的 MQTT 库是基于异步事件的。你必须调用mosquitto_loop_start()（开启后台线程处理网络事件）或
  mosquitto_loop_forever()（阻塞式循环）来维持网络通信

编译与运行：

• 使用 GCC 或交叉编译器（如 aarch64-linux-gnu-gcc）编译代码，链接 -lmosquitto
  库，生成可执行文件后在开发板上运行

由于多python更熟悉，开发更敏捷，后续开发过程准备使用如下方式：
Python写MQTT业务逻辑（python库：paho-mqtt） + C语言处理底层驱动提高资源使用率和数据处理性能：由python调用C的方式处理底层内容。