概述

MQTT是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和制动器之间通信的桥梁。

MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议。有以下特点：

• 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布
• 使用TCP/IP提供网络连接
• 小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量，传输的内容最大为256MB。
• 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

协议格式

MQTT协议控制报文的格式包含以下三个部分，以固定报头，可变报头和有效载荷，其中固定报文头是所有的控制报文都有， 可变报头和有效载荷都是部分控制报文包含。

固定报头

固定报头是由两字节组成，其格式组成如下:

控制报文类型

第一个字节的二进制位7-4无符号整数表示控制报文的类型，具体类型对应的值为

标志

第一个字节的二进制位3-0包含每个MQTT控制报文类型特定的标志， 控制报文中的标志为必须按照如下表格进行设置，如果设置有问题，则接收者必须断开连接。

剩余长度

第二个字节表示当前报文剩余部分的字节数，包括可变报头和有效载荷。剩余长度不包括用于编码剩余长度字段本身的字节数。剩余长度字段使用一个变长度编码方案，对小于128的值使用单字节编码，超过128的值，最高有效未用于指示是否有更多的字节，因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位，剩余长度字段最大4个字节。 举例：十进制64被编码为一个字节，十六进制表示为Ox40。十进制数字321编码为两个字节，最低有效位在前，第一个字节65+128=193，第二个字节为2。 剩余长度最大为256M的报文，而且报文是不支持分包处理的，所以MQTT协议并不适合一些数据量特别大的场景，比如视频直播等数据包比较大的场景。

可变报头

可变报头介于固定报头和有效载荷中间。不同的控制报文有着不同的可变报头，其中PacketId是一个在多个控制报文中存在一个报文。 PacketId包含两个字节，现在包含该字段的控制报文有，PUBLISH(Qos>0), PUBACK, PUBREC, PUBREL,PUBCOMP,SUBSCRIBE,SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK。

具体包含情况如下:

有效荷载

有效载荷即为应用消息。

实现方式

MQTT系统由与服务器通信的客户端组成，通常称服务器为“代理Broker”。客户可以是信息发布者Publish或订阅者Subscribe。每个客户端都可以连接到代理。

信息按主题层次结构组织。当发布者具有要分发的新数据时，它会将包含数据的控制消息发送到连接的代理。然后，代理将信息分发给已订阅该主题的任何客户端。发布者不需要有关于订阅者数量或位置的任何数据，而订阅者又不必配置有关发布者的任何数据。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分： （1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）； （2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

MQTT协议中的术语

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。 系统主题：通过定义$SYS开头的主题可以查看一些系统信息，如客户端连接数量等， 详细介绍：github.com/mqtt/mqtt.g…

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。 多级匹配符 # 单级匹配符 + 更多主题讨论，请移步github wiki github.com/mqtt/mqtt.g…

负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

保留消息和最后遗嘱

保留消息 Retained Messages

MQTT中，无论是发布还是订阅都不会有任何触发事件。 1个Topic只有唯一的retain消息，Broker会保存每个Topic的最后一条retain消息。 发布消息时把retain设置为true，即为保留信息。每个Client订阅Topic后会立即读取到retain消息。如果需要删除retain消息，可以发布一个空的retain消息，因为每个新的retain消息都会覆盖最后一个retain消息。

最后遗嘱 Last Will & Testament

MQTT本身就是为信号不稳定的网络设计的，所以难免一些客户端会无故的和Broker断开连接。 当客户端连接到Broker时，可以指定LWT，Broker会定期检测客户端是否有异常。 当客户端异常掉线时，Broker就往连接时指定的topic里推送当时指定的LWT消息。

消息服务质量

至多一次

消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送

至少一次

PUBACK消息是对QoS级别为1的PUBLISH消息的响应.PUBACK消息由服务器发送以响应来自发布端的PUBLISH消息，订阅端也会响应来自服务器的PUBLISH消息。当发布端收到PUBACK消息时，它会丢弃原始消息，因为它也被服务器接收（并记录）。

如果一定时间内，发布端或服务器没有收到PUBACK消息，则会进行重发。这种方式虽然确保了消息到达，但消息重复可能会发生。

只有一次

PUBREC消息是对QoS级别为2的PUBLISH消息的响应。它是QoS级别2协议流的第二个消息。 PUBREC消息由服务器响应来自发布端的PUBLISH消息，或订阅端响应来自服务器的PUBLISH消息。发布端或服务器收到PUBREC消息时，会响应PUBREL消息。

PUBREL消息是从发布端对PUBREC的响应，或从服务器对订阅端PUBREC消息的响应。 这是QoS 2协议流中第三个消息。当服务器从发布者收到PUBREL消息时，服务器会将PUBLISH消息发送到订阅端，并发送PUBCOMP消息到发布端。 当订阅端收到来自服务器的消息PUBREL时，使得消息可用于应用程序并将PUBCOMP消息发送到服务器。

PUBCOMP消息是服务器对来自发布端的PUBREL消息的响应，或订阅者对来自服务器的PUBREL消息的响应。 它是QoS 2协议流程中的第四个也是最后一个消息。当发布端收到PUBCOMP消息时，它会丢弃原始消息，因为它已经将消息发给了服务器。

在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

最后我们上代码（服务器端)

/**
 * Created by Administrator on 17-2-10.
 */

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttDeliveryToken;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttPersistenceException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttTopic;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
/**
 *
 * Title:Server
 * Description: 服务器向多个客户端推送主题，即不同客户端可向服务器订阅相同主题
 * @author admin
 * 2019年12月8日下午17:50:15
 */
public class ServerMQTT {

    //tcp://MQTT安装的服务器地址:MQTT定义的端口号
    public static final String HOST = "tcp://0.0.0.0:61613";
    //定义一个主题
    public static final String TOPIC = "topic11";
    //定义MQTT的ID，可以在MQTT服务配置中指定
    private static final String clientid = "server11";

    private MqttClient client;
    private MqttTopic topic11;
    private String userName = "admin";
    private String passWord = "password";

    private MqttMessage message;

    /**
     * 构造函数
     * @throws MqttException
     */
    public ServerMQTT() throws MqttException {
        // MemoryPersistence设置clientid的保存形式，默认为以内存保存
        client = new MqttClient(HOST, clientid, new MemoryPersistence());
        connect();
    }

    /**
     *  用来连接服务器
     */
    private void connect() {
        MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
        options.setCleanSession(false);
        options.setUserName(userName);
        options.setPassword(passWord.toCharArray());
        // 设置超时时间
        options.setConnectionTimeout(10);
        // 设置会话心跳时间
        options.setKeepAliveInterval(20);
        try {
            client.setCallback(new PushCallback());
            client.connect(options);

            topic11 = client.getTopic(TOPIC);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     *
     * @param topic
     * @param message
     * @throws MqttPersistenceException
     * @throws MqttException
     */
    public void publish(MqttTopic topic , MqttMessage message) throws MqttPersistenceException,
            MqttException {
        MqttDeliveryToken token = topic.publish(message);
        token.waitForCompletion();
        System.out.println("message is published completely! "
                + token.isComplete());
    }

    /**
     *  启动入口
     * @param args
     * @throws MqttException
     */
    public static void main(String[] args) throws MqttException {
        ServerMQTT server = new ServerMQTT();

        server.message = new MqttMessage();
        server.message.setQos(1);
        server.message.setRetained(true);
        server.message.setPayload("hello,topic11".getBytes());
        server.publish(server.topic11 , server.message);
        System.out.println(server.message.isRetained() + "------ratained状态");
    }
}

客服端

/**
 *
 * Description:
 * @author admin
 * 2019年12月8日下午17:50:15
 */

import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttTopic;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;

public class ClientMQTT {

    public static final String HOST = "tcp://0.0.0.0:61613";
    public static final String TOPIC = "topic11";
    private static final String clientid = "client11";
    private MqttClient client;
    private MqttConnectOptions options;
    private String userName = "admin";
    private String passWord = "password";

    private ScheduledExecutorService scheduler;

    private void start() {
        try {
            // host为主机名，clientid即连接MQTT的客户端ID，一般以唯一标识符表示，MemoryPersistence设置clientid的保存形式，默认为以内存保存
            client = new MqttClient(HOST, clientid, new MemoryPersistence());
            // MQTT的连接设置
            options = new MqttConnectOptions();
            // 设置是否清空session,这里如果设置为false表示服务器会保留客户端的连接记录，这里设置为true表示每次连接到服务器都以新的身份连接
            options.setCleanSession(true);
            // 设置连接的用户名
            options.setUserName(userName);
            // 设置连接的密码
            options.setPassword(passWord.toCharArray());
            // 设置超时时间 单位为秒
            options.setConnectionTimeout(10);
            // 设置会话心跳时间 单位为秒 服务器会每隔1.5*20秒的时间向客户端发送个消息判断客户端是否在线，但这个方法并没有重连的机制
            options.setKeepAliveInterval(20);
            // 设置回调
            client.setCallback(new PushCallback());
            MqttTopic topic = client.getTopic(TOPIC);
            //setWill方法，如果项目中需要知道客户端是否掉线可以调用该方法。设置最终端口的通知消息
            options.setWill(topic, "close".getBytes(), 2, true);

            client.connect(options);
            //订阅消息
            int[] Qos  = {1};
            String[] topic1 = {TOPIC};
            client.subscribe(topic1, Qos);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws MqttException {
        ClientMQTT client = new ClientMQTT();
        client.start();
    }
}

回滚代码

/**
 *
 * Description:
 * @author admin
 * 2019年12月8日下午17:50:15
 */

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.IMqttDeliveryToken;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttCallback;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;

/**
 * 发布消息的回调类
 *
 * 必须实现MqttCallback的接口并实现对应的相关接口方法CallBack 类将实现 MqttCallBack。
 * 每个客户机标识都需要一个回调实例。在此示例中，构造函数传递客户机标识以另存为实例数据。
 * 在回调中，将它用来标识已经启动了该回调的哪个实例。
 * 必须在回调类中实现三个方法：
 *
 *  public void messageArrived(MqttTopic topic, MqttMessage message)接收已经预订的发布。
 *
 *  public void connectionLost(Throwable cause)在断开连接时调用。
 *
 *  public void deliveryComplete(MqttDeliveryToken token))
 *  接收到已经发布的 QoS 1 或 QoS 2 消息的传递令牌时调用。
 *  由 MqttClient.connect 激活此回调。
 *
 */
public class PushCallback implements MqttCallback {

    public void connectionLost(Throwable cause) {
        // 连接丢失后，一般在这里面进行重连
        System.out.println("连接断开，可以做重连");
    }

    public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
        System.out.println("deliveryComplete---------" + token.isComplete());
    }

    public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
        // subscribe后得到的消息会执行到这里面
        System.out.println("接收消息主题 : " + topic);
        System.out.println("接收消息Qos : " + message.getQos());
        System.out.println("接收消息内容 : " + new String(message.getPayload()));
    }
}

服务端控台信息

客户端信息

web页面后台信息

topic创建成功

测试成功