MQTT实战之MQTT入门

Wesley13
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MQTT入门介绍(一)

一.MQTT简述

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。

二.设计规范

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。

三.主要特性

MQTT协议工作在低带宽、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,它具有以下主要的几项特性:

(1)使用发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布,解除应用程序耦合。

这一点很类似于XMPP,但是MQTT的信息冗余远小于XMPP,,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。

(2)对负载内容屏蔽的消息传输。

(3)使用TCP/IP提供网络连接。

主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的,但是同样有基于UDP的版本,叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式,优缺点自然也就各有不同了。

(4)有三种消息发布服务质量:

Qos = 0; "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。这一种方式主要普通APP的推送,倘若你的智能设备在消息推送时未联网,推送过去没收到,再次联网也就收不到了。

Qos = 1; "至少一次",确保消息到达,但消息重复可能会发生。

Qos = 0; "只有一次",确保消息到达一次。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。

(5)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。

这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域,传感器与服务器的通信,信息的收集",要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱,使用这种协议来传递消息再适合不过了。

(6)使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will:即遗言机制,用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。

Testament:遗嘱机制,功能类似于Last Will。

四.相关术语

(1) 网络连接(NetWork Connection)

MQTT使用的底层传输协议基础设施。

1) 客户端使用它连接服务端

2) 它提供有序的、可靠的、双向字节流传输

(2) 客户端(Client)

使用MQTT的程序或设备。客户端总是通过网络连接到服务端。它可以:

1) 发布应用消息给其他相关的客户端

2) 订阅以请求接收相关的应用消息

3) 取消订阅以移除接受应用消息的请求

4) 从服务端断开连接

(3) 服务端(Server)

一个程序或者设备、作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端端之间的中介。服务端:

1) 接受来自客户端的网络连接

2) 接受客户端发布的应用消息

3) 处理客户端的订阅和取消订阅请求

4) 转发应用消息给符合条件的已订阅客户端

(4) 订阅(Subscription)

订阅包含一个主题过滤器(Topic Filter)和一个最大的服务质量(QoS)等级。订阅与单个会话(Session)关联。会话可以包含对于一个的订阅。会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

(5) 主题名(Topic Name)

附加在应用消息上的一个标签,服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

(6) 主题过滤器(Topic Filter)

订阅中包含的一个表达式,用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符

(7) 会话(Session)

客户端和服务端之间的状态交互。一些会话持续时间长和网络连接一样,另一些可以在客户端和服务端的多个连续网络连接间扩展。

(8) 控制报文(MQTT Control Packet)

通过网络连接发送的信息数据包。MQTT规范定义了十四种不同类型的控制报文,其中一个(PUBLISH报文)用于传输应用消息。

五.MQTT 控制报文

       MQTT协议通过交换预定义的MQTT控制报文来通信。MQTT控制报文由三部分组成,分别是:固定报头(所有报文都包含)、可变报头(部分报文包含)、有效载荷(部分报文包含)

Fixed header

固定报头

Variable header

可变报头

Payload

有效载荷

(1)固定报头 Fixed header

每个MQTT控制报文都包含一个固定报头,固定报头的格式如下:

Bit

7

6

5

4

3

2

1

0

byte 1

MQTT控制报文的类型

用于指定报文类型的标志位

Byte 2 ...

剩余长度

MQTT 控制报文的类型(固定报头第一个字节,二进制7-4):

名字

报文流动方向

描述

Reserved

0

禁止

保留

CONNECT

1

客户端到服务端

连接服务端

CONNACK

2

服务端到客户端

确认连接请求

PUBLISH

3

两个方向都允许

发布消息

PUBACK

4

两个方向都允许

发布确认

PUBREC

5

两个方向都允许

发布收到(QoS2,第一步)

PUBREL

6

两个方向都允许

发布释放(QoS2,第二步)

PUBCOMP

7

两个方向都允许

发布完成(QoS2,第三步)

SUBSCRIBE

8

客户端到服务端

订阅主题

SUBACK

9

服务端到客户端

订阅确认

UNSUBSCRIBE

10

客户端到服务端

取消订阅

UNSUBACK

11

服务端到客户端

取消订阅确认

PINGREQ

12

客户端到服务端

心跳请求

PINGRESP

13

服务端到客户端

心跳响应

DISCONNECT

14

客户端到服务端

断开连接

Reserved

15

禁止

保留

报文标志Flag(固定报头,第一个字节3-0)

每种报文都对应了相关的标志位,标志位如下表所列,如果收到非法的标志,接收者 必须关闭网络连接。报文标志列表如下:

控制报文

固定报头标志

Bit 3

Bit 2

Bit 1

Bit 0

CONNECT

Reserved

0

0

0

0

CONNACK

Reserved

0

0

0

0

PUBLISH

Userd in MQTT 3.1.1

DUP1

QoS2

QoS2

RETAIN3

PUBACK

Reserved

0

0

0

0

PUBREC

Reserved

0

0

0

0

PUBREL

Reserved

0

0

1

0

PUBCOMP

Reserved

0

0

0

0

SUBSCRIBE

Reserved

0

0

1

0

SUBACK

Reserved

0

0

0

0

UNSUBSCRIBE

Reserved

0

0

1

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

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

剩余长度(固定报头,第二个字节开始,最大4个字节):

剩余长度(Remaining Length)表示当前报文剩余部分的字节数,包含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,对于小于128的值它使用单字节编码。更大的值下面的方式处理。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。剩余长度字节最大4个字节。

字节数

最小值

最大值

1

0(0x00)

127(0x7F)

2

128(0x80,0x01)

16383(0xFF,0x7F)

3

16384(0x80,0x80,0x01)

2097151(0xFF,0xFF,0x7F)

4

2097152(0x80,0x80,0x80,0x01)

268435455(0xFF,0xFF,0xFF,0x7F)

(2)可变报头 Variable header

某些MQTT控制报文包含一个可变头部分。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,可变报头的报文标识符字段存在于多个类型的报文里。

报文标识符结构如下:

Bit

7-0

byte 1

报文标识符MSB(字符串长度的最高有效字节)

byte 2

报文标识符LSB(字符串长度的最低有效字节)

如下列举了那些MQTT控制报文需要报文标识符

控制报文

报文标识符字段

CONNECT

不需要

CONNACK

不需要

PUBLISH

需要(如果QoS > 0)

PUBACK

需要

PUBREC

需要

PUBREL

需要

PUBCOMP

需要

SUBSCRIBE

需要

SUBACK

需要

UNSUBSCRIBE

需要

UNSUBACK

需要

PINGREQ

不需要

PINGRESP

不需要

DISCONNECT

不需要

(3)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,如下是包含有效载荷的控制报文列表:

控制报文

报文标识符字段

CONNECT

需要

CONNACK

不需要

PUBLISH

可选

PUBACK

不需要

PUBREC

不需要

PUBREL

不需要

PUBCOMP

不需要

SUBSCRIBE

需要

SUBACK

需要

UNSUBSCRIBE

需要

UNSUBACK

不需要

PINGREQ

不需要

PINGRESP

不需要

DISCONNECT

不需要

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