物联网全栈教程-从云端到设备（四）

关注零妖的微信公众号，获取第一手物联网的技术干货：  LINGYAOIOT  

1、 MQTT协议是IOT（Internet of Things）领域的一个主流协议

在物联网的时代，每一个传感器每一个设备都想接入互联网进行数据交换。MQTT协议非常适合这样的场合。目前国内的主流IOT服务器供应商均提供对MQTT协议的解析比如百度云计算，阿里云计算等。MQTT协议的实现也非常简单，对带宽的要求不高，对网络链接的可靠性要求也不高，而且协议本身制定了一定的机制来处理突发事件。

MQTT协议不仅可以在物联网领域发挥重要作用，同时也可以用于多台机器之间的信息交换比如一个车间里面所有的传感器之间数据的交换。

MQTT协议也不仅仅局限于运行在互联网通信上。它是一个通信规则，对通信方式的实现不关心。通常我们提到物联网指的是通过 TCP/IP 的方式实现了通信，也就是利用互联网实现，因为互联网可以提供一个非常可靠的双向通信。

本学习手册根据 MQTT V3.1.1 版本编写

官方手册下载地址 ：http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.doc

下面章节大部分内容均参考此官方手册。

2、 MQTT 通信协议需要有三个角色参与

这段文字参考百度云计算的帮助文档：

https://cloud.baidu.com/doc/IOT/MQTTProtocol.html#.E0.F6.0C.38.86.9F.BE.F8.FD.AC.D9.00.29.12.24.B6

MQTT协议提到的一个名词 “主题”，类似于文件夹的名字一样。比如小王是电脑的主人，他的电脑上面有a,b两个文件夹，小刘每次存储的文件喜欢放到a文件夹，小宋每次存储的文件喜欢放到b文件夹。那么当小林想看小刘的文件时，只需要看a文件夹就可以了。上述的“a”文件夹的名称，在MQTT协议里面称作 主题 。

左图诠释了MQTT协议里的三个角色：发布者客户端（负责发送消息），代理服务器（负责接收和分发消息），订阅者客户端（负责接收消息）。

在MQTT协议里，“主题”就是一个文件夹，发布的消息可以送到一个“主题”里面，订阅者也可以从“主题”里面读取到消息。

代理服务器在国内有百度的 IoT Hub ，也有阿里云的IoT Hub，还有很多其他品牌的服务器。

发布者客户端和订阅者客户端既可以是同一台设备，也可以是不同的设备，只要这台设备可以通过服务器的认证，并且遵循MQTT协议，就可以发布或者订阅消息。本学习手册的重要内容就是两个客户端如何与服务器“交流”。

3、 MQTT 通信协议和大数据

(1)  小刘采集的信号是温度信息，他每间隔1分钟就上传一次温度信息到服务器，同时他发送的主题是 a 。

(2)  服务器接收到小刘的温度信息后，会查找当前都有哪些订阅者想看主题是 a 的信息。

(3)  小林订阅了主题是 a 的内容，只要小刘发送一次信息，小林就可以立马接收到对应的信息。

(4)  小刘和小林都需要事先通过账号密码的方式连接到服务器。小刘就像在野外工作的工作人员辛苦采集信号，而小林就像在办公室的老板千里之外洞察前线的一手信息。

(5)  如果有1000个小林这样的角色不停地给服务器发送温度数据。我们都知道服务器有数据保存和数据处理的能力，这时候就可以结合机器学习的相关知识去处理和分析这些数据，从而为人类的决策提供参考。

4、 在MQTT 通信协议里，字符串需要遵守 UTF-8 编码规范

在MQTT通信协议里，数据传送是以Bit（位）为单位的，和我们常见的TTL串口类似不过他们本质上不是一个东西。MQTT协议约定：数据传送时，高字节在前，同时，每个字节里面的最高位先传输。

UTF-8 编码规范简单点理解的话，可以看作在一个字符串的前方加了一个长度的表示。如下表所示。

  字符串 “JiXiaoXin”的UTF-8写法

l  前两个字节表示一个16Bit的无符号型整数。这里的0X0009表示后续跟随了9个字符（这9个字符用ASCII码表示的）。

l  这个编码规范约束了字符串的最大长度为65536.

在MQTT通信里，凡是涉及到一个字符串的发送或者接收，都需要用到UTF-8编码规范，比如 主题的名称，客户端的名称，服务器的登录账号，服务器的登录密码等。

5、 MQTT 一帧消息包含的内容

MQTT 的一帧典型的消息最多由三部分组成：

固定头（所有的消息必须包含）  +  可变头（有些没有） +  有效内容（有些没有）

MQTT协议约定，根据不同的功能实现，固定头是必须要的，其他两部分内容可有可无（比如心跳包的发送和接收只要固定头即可，而从机发送的链接请求则包含了三个部分）。

5.1  固定头很重要，发送一帧消息靠它表达含义

一个固定头包含的内容

固定头除了第一个字节决定了MQTT控制包的类型之外，剩下的几个字节描述了这帧消息除了固定头本身之外的所有字节的数量。它是一个特殊的编码格式，可能占一个字节也可能占三个字节，最多占4个字节。

接下来分别说明一下固定头第一个字节的含义和“剩下所有字节长度”。

5.1.1  固定头的第一个字节

MQTT控制包类型是第一个字节的Bit7-Bit4，一共占用4个位，可以表示16种不同的组合。

MQTT 控制包类型 （一共有14种不同的类型）

控制包类型的标志位，是第一个字节的Bit3-Bit0 。除了“发布消息”的控制包类型对应的标志位比较特殊外，其他的13种控制包类型对应的标志位是固定的，不可变更。

如果一个设备接收到了一帧信息发现这个标志位和约定的不一致，那么必须马上断开和对方的网络链接。

14 种MQTT控制包类型对应的标志位

上表中的 DUP ,QoS,RETAIN 是在MQTT V3.1.1协议里用的，用于描述发布的这一帧消息的属性，在后文里会有详细的说明。

依据上述规则，我们可以很容易得到14种固定头的第一个字节的内容：（16进制表示）

14种固定头的第一字节内容

  在最简单的应用中，可以发布一条质量等级为0，不需要确认的消息，此时设置上表中橙色部分为0X30.

  后面的所讲述的内容，都和固定头的名字有关系，不同的固定头后面跟随的内容不一样。

5.1.2  “剩余长度”，描述一帧消息占用几个字节

“剩余长度”指的是    可变头（有些没有） +  有效内容（有些没有）  所有字节的数量。

“剩余长度”采用的是一种 “可变长度”编码规则 ，这种编码规则可以使用较少的字节表达较多的内容。它约定，一个字节的Bit7位不代表具体的数字，而表示一个标志位，所以一个字节本身能表达的数值范围是：0-127 ，如果一个数字超过了127，那么必须再用一个字节才可以表示，同时，这个字节的Bit7要置1 。这个编码规则本身最多占用四个字节。举例如下：

假如数字  68 ，16进制表示 0X44 ，大小小于127 ，所以 编码规则和常规一样。就是0X44.

假如数字 321 大于127 ，所以编码需要遵守编码规则，应该是  0XC1  0X02，具体的解释如下：

“可变长度”编码规则的范围

5.2  可变头 的简单描述

可变头标识占两个字节。一个可变头包含很多内容，可变头标识只是其中的一部分。

先简单说一下可变头标识的出现场合，后面有详细说明。可变头标识是否有必要和固定头名字有关。

可变头的内容里，有一个字节叫做“连接的标识符”，它描述了当前的这个连接的一些设置的内容。这个字节在客户端连接服务器时候用到的。具体如下所示：

“连接的标识符”一个字节

Clean Session：如果该位被设置为0，则该连接被认为是持久连接，其具体表现为：当该客户断开后，任何订阅的主题和QoS被设置为1或2的信息都会保存，直到该客户端再次连接上server端（百度云物接入服务支持将该消息保留24小时）。若“clean session”被设置为1，当该客户断开后，所有的订阅主题都会被移除。

Will Flag：当一个客户端断开连接的时候，它希望客户端可以发送它指定的消息。该消息和普通消息的结构相同。（通过在帧消息的有效报文中设置Will Topic和Will Message实现）

Will QoS：服务器在发生意外的情况下发送遗嘱消息的服务等级。如果 Will Flag 是0，那么这个必须是0。

Will Retain：遗嘱保留，如果勾选遗嘱保留，遗嘱消息发布时将会保留且发送给新的订阅消息。

什么是临终遗嘱？

MQTT协议利用KeepAlive机制在客户端异常断开时发现问题。当客户端断开时（例如：电量耗尽、系统崩溃或者网络断开），代理服务器会采取相应措施。客户端设置“临终遗嘱”（LWT）信息后，当代理服务器检测到客户端离线后，就会发送保存在特定主题上的 LWT 信息，让其它订阅该主题的客户端知道该节点已经意外离线。

发布者客户端通过设置PUBLISH报文中的QoS标志位，对于客户端发布的消息提供三种服务质量等级，如下：

QoS=0，协议对此等级应用信息不要求回应确认，也没有重发机制，这类信息可能会发生消息丢失或重复，取决于TCP/IP提供的尽最大努力交互的数据包服务。

QoS=1，确保信息到达，但消息重复可能发生，发送者如果在指定时间内没有收到PUBACK控制报文，应用信息会被重新发送。

QoS=2，最高级别的服务质量，消息丢失和重复都是不可接受的。

5.2  帧内容 的简单描述

帧内容 依据传输内容的不一样，所占字节的长度也不一样。比如会包含用户名，密码的信息，不同的服务器不同的用户肯定不一样。注意：帧内容里的数据主要是字符串，需要符合UTF-8编码规范。

简单说一下帧内容的出现场合

6、 MQTT 连接服务器 + 心跳包

6.1 “CONNECT”，客户端发送给服务器的连接请求。

当确保网络连通后，客户端首先需要连接到服务器。如果连接成功，服务器需要有一个链接成功的返回。如果连接成功，客户端就不需要再发送链接请求了，只需要发送数据到服务器即可，同时发送必要的心跳包来保持连接。

验证网络是否连通的方法很简单，只需要发送“Ping 请求”到服务器，如果服务器有响应就证明网络链接是可靠的。发送（16进制格式） C0 00  ，服务器必须返回（16进制格式） D0 00 。

“固定头”： 第一个字节肯定是0X10 ，后续的帧长度要看后面跟随多少信息，待定（0X53）。

“可变头”：协议名（UTF-8编码）+协议版本1字节+连接的标识符1字节+心跳包时间2字节

一个完整的可变头如下表所示

“有效内容”： “用户ID” +  “临终消息主题” + “临终消息” + “用户名” + “密码”  

l  用户ID 必须保持唯一，在一个服务器上的所有设备，每个设备的ID都不一样；

l  应该从服务器那里获取用户名和密码；

l  “临终消息主题”和“临终消息”如果可变头里面的 连接标识符没有允许，就不要添加了。

注意：我们在测试之前需要配置好服务器，然后获取一个用户名和密码。比如下面这样的格式：

用户名：jixin/jixiaoxin                      用户ID：Ling_Yao(用户ID是自己起的名字)

密码：ymjohJfqMO9KFzjKhVqeR78wnRpt0U0Xxrqq5VEHdcI=

依据上述的设置，本例子在连接服务器的时候，有效内容应该如下表所示:

至此，连接服务器需要发送的信息都已经完成了。那么我们计算一下一共需要发送多少个字节，然后就可以确定固定头的 “剩余字节数” 的参数了。

可变头10个字节+有效信息73个字节，一共是83个字节，所以 “剩余字节数应该是” 0X53

所以，发送以下信息到服务器即可：（16进制格式）

10 53

00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 3C

00 08 4C 69 6E 67 5F 59 61 6F

00 0F 6A 69 78 69 6E 2F 6A 69 78 69 61 6F 78 69 6E

00 2C 79 6D 6A 6F 68 4A 66 71 4D 4F 39 4B 46 7A 6A 4B 68 56 71 65 52 37 38 77 6E 52 70 74 30 55 30 58 78 72 71 71 35 56 45 48 64 63 49 3D

发送成功之后，服务器会返回（16进制格式）     20  02  00  00

如果接收到上述返回的消息，证明已经成功和服务器建立了可靠连接。分析一下来自服务器的消息含义：第一个字节 20 可以从固定头那一节查到，是服务器发送的数据，叫做“连接确认”；第二个字节02表示后面还有两个数据；后面的两个数据 00 00 ，表示两个有效数据。后面发送两个数据的一层意思是，验证从机连接的协议是否正确，即从机接收到02这个数据后应该判断是否真的接收到了两个数据，如果不是，那证明通信时有问题的。

6.2  按时发送心跳包，和服务器保持联系

其实这里的心跳包，是通过发送 “Ping 请求” 给服务器来实现的。在连接服务器的时候，我们设置了心跳包时间为60S，那么我们需要每60S之内就和服务器“Ping 请求”一次，证明网络链接是可靠的，如果接收不到服务器的返回，那么可能是我们的网络掉线了。

发送： C0 00     接收： D0 00 

结束。

关注零妖的微信公众号，获取第一手物联网的技术干货：  LINGYAOIOT