Android中使用MQTT协议通信

MQTT介绍

物联网 (IoT) 设备必须连接互联网。通过连接到互联网，设备就能相互协作，以及与后端服务协同工作。互联网的基础网络协议是 TCP/IP。MQTT（消息队列遥测传输） 是基于 TCP/IP 协议栈而构建的，已成为 IoT 通信的标准。

MQTT 最初由 IBM 于上世纪 90 年代晚期发明和开发。它最初的用途是将石油管道上的传感器与卫星相链接。顾名思义，它是一种支持在各方之间异步通信的消息协议。异步消息协议在空间和时间上将消息发送者与接收者分离，因此可以在不可靠的网络环境中进行扩展。虽然叫做消息队列遥测传输，但它与消息队列毫无关系，而是使用了一个发布和订阅的模型。

在使用物联网的过程中经常会遇到需要客户端（设备）被动接收服务器的消息的过程，这个过程使用HTTP协议要付出很大代价的，而 AMOP（高级消息队列协议） 使用异步消息总线来解决此类问题，除了AMOP 外 XMPP （可扩展通讯和表示协议）也是一种即时消息协议，但与MQTT相比XMPP在设备和网络上需要的资源要多得多。

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

1. 精简，不添加可有可无的功能。
2. 发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递。
3. 允许用户动态创建主题，零运维成本。
4. 把传输量降到最低以提高传输效率。
5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
6. 支持连续的会话控制。
7. 理解客户端计算能力可能很低。
8. 提供服务质量管理。
9. 假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

发布订阅模型

说到发布订阅模式，很多人可能会认为自己很了解，因为我们在实际编码中经常会用到观察者模式，但是事实上观察者模式和发布订阅模式是不同的。

在发布订阅模式里，发布者，并不会直接通知订阅者，换句话说，发布者和订阅者，彼此互不相识。它们通过第三者，也就是在消息队列里面，我们常说的经纪人Broker。

发布者只需告诉Broker，我要发的消息，topic是AAA. 订阅者只需告诉Broker，我要订阅topic是AAA的消息.

当Broker收到发布者发过来消息，并且topic是AAA时，就会把消息推送给订阅了topic是AAA的订阅者。当然也有可能是订阅者自己过来拉取，看具体实现。也就是说，发布订阅模式里，发布者和订阅者，不是松耦合，而是完全解耦的。

主题（Topic）

上面的模型图中我们已经提到了主题（topic），服务端上有很多主题，客户端只需要选择性的去订阅，一个客户端可以向服务器订阅多个主题。而所谓的发布就是客户端对不同的主题进行发布信息。在主题里面有一些通配符如下：

报文（SUBSCRIBE）

MQTT协议通过交换预定义的MQTT控制报文来通信，控制报文由三部分组成。

• 固定报头（所有控制报文都包含）
• 可变报头（部分控制报文包含）
• 有效载荷（部分控制报文包含）

固定报头（Fixed Header）

每个MQTT消息都必须有一个固定报头，固定报头的格式如下：

控制报文类型（Control Packet Type）

位置：第1个字节，二进制位7-4。

标志（Flags）

位置：第1个字节，二进制位3-0。

• DUP1：控制报文的重复分发标志
• QoS2：PUBLISH报文的服务质量等级
• RETAIN3：PUBLISH报文的保留标志

DUP

位置：第1个字节，第3位。

如果DUP标志被设置为0，表示这是客户端或服务端第一次请求发送这个PUBLISH报文。如果DUP标志被设置为1，表示这可能是一个早前报文请求的重发。客户端或服务端请求重发一个PUBLISH报文时，必须将DUP标志设置为1 [MQTT-3.3.1.-1].。对于QoS 0的消息，DUP标志必须设置为0 [MQTT-3.3.1-2]。

QoS

位置：第1个字节，第2-1位。

这个字段表示应用消息分发的服务质量等级保证。服务质量等级对应含义如下：

剩余长度（Remanining Length）

位置：从第2个字节开始。

剩余长度（Remaining Length）表示当前报文剩余部分的字节数，包括可变报头和负载的数据。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的值它使用单字节编码。更大的值按下面的方式处理。低7位有效位用于编码数据，最高有效位用于指示是否有更多的字节，且按照大端方式进行编码。因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位（continuation bit）。剩余长度字段最大4个字节。

例如：剩余长度数据为0x40（十进制的64）, 则只占一字节，二进制形式应该是 0100 0000,如果是0x7f（十进制的127）则也只占一个字节，二进制形式为 0111 1111

而如果是0x80（十进制的128）则需要占两个字节，二进制形式为 0000 0001（第3个字节） 1000 0000 （第2个字节）， 第2个字节的最高位是延续位，表示此时允许发送的最大数据是128字节。

所以四个字节 127 x 127 x 127 x 127 / 1024 / 1024 = 248M 最大允许发送248M的数据。

可变报头（Variable Header）

某些MQTT控制报文包含一个可变报头部分。它在固定报头和负载之间。可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。说白了就是对相同的控制报文指定一个唯一的标识来区分它们。

下面列出了那些控制报文需要报文标识符：

需要注意的是客户端和服务端各自独立维护自己的报文标识符，如果是消息重发则要保证是相同的报文标识符。

有效载荷（Payload）

某些MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷。对于PUBLISH（发布消息）来说有效载荷就是应用的自定义消息，下面列出了需要有效载荷的控制报文。

Android中使用

在android中可以使用Github上的一个开源库： https://github.com/eclipse/paho.mqtt.android

repositories {
    maven {
        url "https://repo.eclipse.org/content/repositories/paho-snapshots/"
    }
}


dependencies {
    compile 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.client.mqttv3:1.1.0'
    compile 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.android.service:1.1.1'
}

设置连接参数配置：

// 连接参数
mConnectOpt = new MqttConnectOptions();
// 清除缓存
mConnectOpt.setCleanSession(true);
// 设置超时时间，单位：秒
mConnectOpt.setConnectionTimeout(10);
// 心跳包发送间隔，单位：秒
mConnectOpt.setKeepAliveInterval(20);
// 用户名
mConnectOpt.setUserName(mUsername);
// 密码
mConnectOpt.setPassword(mPassword.toCharArray());

连接到服务器：

String tmpDir = System.getProperty("java.io.tmpdir");
MqttDefaultFilePersistence dataStore = new MqttDefaultFilePersistence(tmpDir);
mClient = new MqttClient("tcp://192.168.1.1:1111", "唯一标识", dataStore);
mClient.setCallback(mMqttCallback); // 设置回调
mClient.connect(mConnectOpt);  //传入配置

断开连接：

mClient.disconnect();

订阅和取消订阅主题：

try {
    //订阅
    mClient.subscribe(topics, qos);

    //......

    //取消订阅
    mClient.unsubscribe(topic);
} catch (MqttException e) {
    e.printStackTrace();
}

发布消息：

MqttMessage mqttMessage = new MqttMessage(message.getBytes());
mqttMessage.setQos(qos);
try {
    mClient.publish(topic, mqttMessage);
} catch (MqttException e) {
    mMqttCallback.connectionLost(e);
}