参考网站：MQTT协议，终于有人讲清楚了 - 知乎 (zhihu.com)

一、什么是 MQTT

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于 TCP/IP 协议上，由 IBM 在 1999 年发布。

MQTT 最大优点在于，用极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。

作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

二、MQTT 相关名词

2.1 订阅和发布

MQTT 使用的是发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。

这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由 MQTT server（或称为 MQTT Broker）分发的。

• MQTT 服务器负责消息的分发，因此必须是发布者（Publisher），而绝不是订阅者！
• 客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之

2.2 QoS

QoS（Quality of Service levels）服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时，连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中，中断和干扰很频繁，MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器，则客户端将是发送者，MQTT 服务器将是接收者。当 MQTT 服务器向客户端发布消息时，服务器是发送者，客户端是接收者。

QoS 0

“至多一次”，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。这一级别会发生消息丢失或重复，即：<=1。

QoS 1

“至少一次”，承诺消息将至少传送一次给订阅者，但消息重复可能会发生。

QoS 2

“只有一次”，消息仅传送到目的地一次。为此，带有唯一消息 ID 的消息会存储两次，首先来自发送者，然后是接收者。QoS 2 在网络中具有最高的开销，因为在发送方和接收方之间需要两个流。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

2.3 MQTT 数据包

2.3.1 固定头（Fixed header）

存在于所有 MQTT 数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。

消息类型【byte 1（bits 7~4）】

名称	值	报文流动方向	描述
Reserved	0	不可用	保留位
CONNECT	1	客户端到服务器	客户端请求连接服务器
CONNACK	2	服务器到客户端	连接报文确认
PUBLISH	3	双向	发布消息
PUBACK	4	双向	QoS 1 消息发布收到确认
PUBREC	5	双向	发布收到（保证第一部分）
PUBREL	6	双向	发布释放（保证第二部分）
PUBCOMP	7	双向	QoS 2 消息发布完成（保证第三部分）
SUBSCRIBE	8	客户端到服务器	客户端请求订阅
SUBACK	9	服务器到客户端	订阅请求报文确认
UNSUBSCRIBE	10	客户端到服务器	客户端请求取消订阅
UNSUBACK	11	服务器到客户端	取消订阅报文确认
PINGREQ	12	客户端到服务器	PING 请求（心跳请求）
PINGRESP	13	服务器到客户端	PING 应答（心跳请求）
DISCONNECT	14	客户端到服务器	客户端断开连接
Reserved	15	不可用	保留位

标识位【byte 1（bits 3~0）】

• DUP：控制报文的重复分发标志
• QoS：PUBLISH 报文的服务质量等级（00、01、10、11）
• RETAIN：PUBLISH 报文的保留标志

控制报文	固定报头标志	Bit 3	bit 2	bit 1	bit 0
Reserved
CONNECT	Reserved	0	0	0	0
CONNACK	Reserved	0	0	0	0
PUBLISH	Used in MQTT 3.1.1	DUP	QoS	QoS	RETAIN
PUBACK	Reserved	0	0	0	0
PUBREC	Reserved	0	0	0	0
PUBREL	Reserved	0	0	0	0
PUBCOMP	Reserved	0	0	0	0
SUBSCRIBE	Reserved	0	0	0	0
SUBACK	Reserved	0	0	0	0
UNSUBSCRIBE	Reserved	0	0	0	0
UNSUBACK	Reserved	0	0	0	0
PINGREQ	Reserved	0	0	0	0
PINGRESP	Reserved	0	0	0	0
DISCONNECT	Reserved	0	0	0	0
Reserved	Reserved

剩余长度

剩余长度是一个可变字节整数，表示当前控制报文中剩余的字节数，包括可变报头和有效载荷中的数据。

2.3.2 可变头（Variable header）

可变报头位于固定报头和有效载荷之间，可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。通常都包括一个 2 字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

2.3.3 消息体（Payload）

Payload 有效载荷位于 MQTT 数据包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE 这四种类型包含有效载荷。

• CONNECT 有效载荷内容主要是：客户端的 ClientID、订阅的主题、Message 以及用户名和密码
• SUBSCRIBE 有效载荷内容是：主题过滤器指明需要订阅的 Topic 以及 QoS
• SUBACK 有效载荷内容是：服务器对于 SUBSCRIBE 所申请的主题及 QoS 进行确认和回复
• UNSUBSCRIBE 有效载荷内容是：客户端想要取消订阅的主题过滤器

三、MQTT 工作流程

四、MQTT VS Socket

WebSocket 是一种网络传输协议，位于 OSI 模型的应用层。可在单个 TCP 连接上进行全双工通信，能更好的节省服务器资源和带宽并达到实时通信，客户端和服务器只需要完成一次握手，两者之间就可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

MQTT 协议是一种消息队列传输协议，位于 OSI 模型的应用层。采用订阅、发布机制，订阅者只接收自己已经订阅的数据，非订阅数据则不接收，既保证了必要的数据的交换，又避免了无效数据造成的储存与处理。

4.1 通信模型不同

MQTT 和 WebSocket 的底层都是使用 TCP 协议确保可靠传输数据，都支撑双向通信。但 WebSocket 是一种简单的报文协议，仅仅定义了会话的发起方式和报文格式及类型，只是在 TCP 协议之上实现了简单的报文通信。而 MQTT 则是一种比较复杂的消息协议，MQTT 不仅规定了具体的协议编码，还规定了客户端和服务器的通信模型。从这个意义上讲，MQTT over WebSocket，即 MQTT 可以工作在 WebSocket 之上。

4.2 报文结构不同

MQTT 和 WebSocket 都使用二进制编码（有别于 HTTP 这一类基于文本编码的协议），但 WebSocket 的报文要远比 MQTT 的简单。

4.3 使用场景不同

MQTT 是为了物联网场景设计的，基于 TCP 的 Pub/Sub（订阅/发布）协议，有许多为物联网优化的特性，比如适应不同网络的 QoS、层级主题、遗言等等。

WebSocket 是为了 HTML5 应用方便与服务器双向通讯而设计的协议，HTTP 握手然后转 TCP 协议，用于取代之前的 Server Push、Comet、长轮询等老旧实现。

两者的交集在于，如何通过 HTML5 应用来作为 MQTT 的客户端，以便接受设备消息或者向设备发送信息。那么此时，MQTT over WebSocket 自然成了最合理的途径了。