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，可以以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。
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。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）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。
MQTT Broker可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！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。
客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。
以下是一个简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示：
MQTT协议的版本有MQTT v3.1.1/3.1，最新的是MQTT5.0（后续以5.0协议进行演示）。除标准版外，还有一个简化版MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络，如：ZigBee。MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。
为了满足不同的场景，MQTT支持三种不同级别的服务质量（Quality of Service，QoS）为不同场景提供消息可靠性：
服务质量是个老话题了。级别2所提供的不重不丢很多情况下是最理想的，不过往返多次的确认一定对并发和延迟带来影响。级别1提供的至少一次语义在日志处理这种场景下是完全OK的，所以像Kafka这类的系统利用这一特点减少确认从而大大提高了并发。级别0适合鸡肋数据场景，食之无味弃之可惜，就这么着吧。
整体MQTT的消息格式如下图所示；
固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：
MQTT消息类型 / message type
位置：byte 1, bits 7-4。
4位的无符号值，类型如下：
名称 值 流方向 描述
标识位 / DUP
位置：byte 1, bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：
数据包 标识位 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为 1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。
QoS发布消息的服务质量（前面已经做过介绍），即：保证消息传递的次数
00：最多一次，即：<=1
01：至少一次，即：>=1
10：一次，即：=1
11：预留
RETAIN：发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。
剩余长度（Remaining Length）
位置：byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为 1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0
MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是做为包的标识：
Bit 7 — 0
很多类型数据包中都包括一个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
Payload消息体是MQTT数据包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体：
目前MQTT代理的主流平台有下面几个：
Mosquitto：https://mosquitto.org/
VerneMQ：https://vernemq.com/
EMQTT：http://emqtt.io/
1、安装服务器端
sudo apt-get install mosquitto
完成安装后，服务器就搭建好了，系统会自动运行mosquitto，默认端口为1883。
2、安装客户端
前面服务器端搭建好了，但是客户端还没有安装。这一步是可选的，如果需要在终端上测试MQTT订阅/发布的通信就需要执行这一步，这里我们也安装上去才有后续的这些测试。
sudo apt install mosquitto-clients
3、启动mosquitto服务
mosquitto -v
-v 详细模式——启用所有日志记录类型。
4、通过service启动/关闭mosquitto服务
sudo service mosquitto start
sudo service mosquitto stop
5、查看运行状态
sudo systemctl status mosquitto
6、查看帮助信息
mosquitto --help
7、关闭mosquitto 服务
8、测试（默认配置）
首先打开三个终端，
1、启动代理服务：mosquitto -v
-v 详细模式 打印调试信息
2、订阅主题：mosquitto_sub -v -t hello
-t 指定订阅的主题，主题为：hello
-v 详细模式 打印调试信息
3、发布内容：mosquitto_pub -t hello -m world
-t 指定订阅的主题，主题为：hello
-m 指定发布的消息的内容
具体运行效果如下图：
采用命令行安装mosquitto简单方便，但是安装的版本往往是旧的版本，不能满足最新的协议要求（比如不支持MQTT5.0协议），因此就需要去官网（https://mosquitto.org/）下载源码，安装需要的新版本（2.0.15支持MQTT5.0），下面简单介绍安装流程。
1、安装mosquitto所需要依赖
sudo apt-get install libssl-dev
sudo apt-get install uuid-dev
sudo apt-get install cmake
2、源码下载
wget http://mosquitto.org/files/source/mosquitto-2.0.15.tar.gz
3、解压源码
tar -zxvf mosquitto-2.0.15.tar.gz
进入源码目录：
cd mosquitto-2.0.15/
4、编译与安装源码
make
sudo make install
上面使用的都是默认配置，如需修改服务器的配置信息需要修改：
mosquitto源码目录下的配置文件mosquitto.conf 或者**/etc/mosquitto/mosquitto.conf**文件
在启动服务器时使用命令：mosquitto -c mosquitto.conf -d(在mosquitto安装目录下)
通过源码下载编译安装，会生成一些供我们使用的测试程序和动态库，用来我们自己进行开发使用。
https://mqttx.app/zh
mqttx提供了命令行+app两种方式实现MQTT测试，下载app后具体教程可参考上述网站。
源代码及库安装使用教程如下：
https://github.com/eclipse/paho.mqtt.cpp
此存储库包含内存管理操作系统（如 Linux/Posix 和 Windows）上的 Eclipse Paho MQTT C++ 客户端库的源代码。
此代码构建了一个库，使 C++11 应用程序能够连接到 MQTT 代理、向代理发布消息、订阅主题和接收发布的消息。
mqtt_client.hpp
#ifndef __MQTT_CLIENT_TO_CLOUD_HPP__
#define __MQTT_CLIENT_TO_CLOUD_HPP__
#include <mqtt/async_client.h> // mqtt库头文件
#include <mqtt/topic.h> // mqtt库头文件
namespace cloud {
//! Handler on cloud message
using message_handler = std::function<void(const std::string&)>;
class mqtt_client
{
public:
mqtt_client();
~mqtt_client();
void send(const std::string& message);
void set_message_handler(message_handler cb);
private:
// static constexpr const char* BROKER_HOST = "localhost:1883"; //本地测试：mosquitto
static constexpr const char* BROKER_HOST = "broker.emqx.io:1883"; //公共mqtt broker：MQTTX
// static constexpr const char* BROKER_HOST = "124.XXX.XXX.XXX:1883"; //云端测试：mosquitto
private:
mqtt::async_client cli_;
mqtt::topic topic_;
};
} // namespace cloud
#endif
mqtt_client.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include "mqtt_client.hpp"
using namespace std;
namespace cloud {
// mqtt_client类构造函数实现
mqtt_client::mqtt_client()
// 1.The server URI string 2.The client ID string that we provided to the server 3.The MQTT protocol version we're connected at
: cli_(BROKER_HOST, "client", mqtt::create_options(MQTTVERSION_5))
// 1.The client to which this topic is connected 2.The topic name(pub & sub) 3.The default QoS
, topic_(cli_,"haojuhu", 1)
{
//! Handler on connection lost, do reconnect here
cli_.set_connection_lost_handler([this](const string& info) {
std::cout<<"mqtt connection lost <" << info << ">, reconnting"<<std::endl;
cli_.reconnect();
});
//! Handler on connected, it'll subscribe the topic and publish online info
cli_.set_connected_handler([this](const string& info) {
std::cout << "mqtt connected <" << info << ">"<<std::endl;
topic_.subscribe(mqtt::subscribe_options(true)); // client订阅topic[haojuhu]
topic_.publish("online"); // client发布消息"online"至topic[haojuhu]
});
}
//2.mqtt_client类析构函数实现
mqtt_client::~mqtt_client()
{
cli_.disconnect();
cli_.disable_callbacks();
}
/**
* @brief Publish message to topic，发布消息给topic
* @param[in] message The message payload
*/
void mqtt_client::send(const string& message)
{
topic_.publish(message);
}
/**
* @brief Set mqtt message handler，设置mqtt消息处理句柄（也就是函数对象cb）
* @note The mqtt connection will established here
* @param[in] cb The message handler
*/
void mqtt_client::set_message_handler(message_handler cb)
{
//! Set message callback here
cli_.set_message_callback([cb](mqtt::const_message_ptr message)
{
cb(message->get_payload_str()); //执行函数cb
});
//! Set connect options and do connect
auto opts = mqtt::connect_options_builder()
.mqtt_version(MQTTVERSION_5)
.clean_start(true)
.finalize();
cli_.connect(opts);
}
} // namespace cloud
main.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include "mqtt_client.hpp"
using namespace std;
/**
* @brief Handler on message from cloud
* @param[in] data The message payload from cloud
*/
void on_cloud_message(const string& data)
{
std::cout<<"received data is: "<<data<<std::endl;
}
int main(int argc,char **argv)
{
cloud::mqtt_client g_client; //定义一个mqtt客户端
std::cout << "[CLOUD] listen starting"<<std::endl;
g_client.set_message_handler(on_cloud_message); //开启mqtt clinet监听消息，消息处理函数为on_cloud_message
while(1)
{
std::cout << "运行中..."<<std::endl;
this_thread::sleep_for(10s);
g_client.send("online..."); // 确保与mqtt broker server建立连接之后再publish!!!
}
return 0;
}
g++ main.cpp mqtt_client.cpp -lpaho-mqttpp3 -lpaho-mqtt3a
./a.out
上面主要介绍了以下三个部分的内容：