MQTT协议简记

简介：

MQTT协议（Message Queuing Telemetry Transport），翻译过来就是“消息队列遥测传输” ，是IBM公司于1999年提出的，现在最新版本是3.1.1。MQTT是一个基于TCP的发布订阅协议，设计的初始目的是为了极有限的内存设备和网络带宽很低的网络不可靠的通信，非常适合物联网通信。

 

 

工作原理：

 

 

一、定义

MQTT - MQ Telemetry Transport

  • 轻量级的 M2M（machine-to-machine） 通信协议。
  • publish/subscribe模式。
  • 基于TCP/IP。
  • 支持QoS。
  • 适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备、CPU内存资源紧张。
  • 是一种比较不错的Android消息推送方案。
  • FacebookMessenger采用了MQTT。
  • MQTT有可能成为物联网的重要协议。
 

MQTT是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议，它可以通过很少的代码和带宽和远程设备连接。例如通过卫星和代理连接，通过拨号和医疗保健提供者连接，以及在一些自动化或小型设备上，而且由于小巧，省电，协议开销小和能高效的向一和多个接收者传递信息，故同样适用于称动应用设备上。

相信在想深入学习这协议必是奔着解决某个问题而来的，上面给出了适用的场景，我之所以想深入的学习和了解这个协议，理由如下：

1、可以实现手机消息推送（PUSH）

2、协议简单，最小的头部只需2个字节，特别适合于嵌入式中。

3、这是个了解什么是协议绝好的例子。相比于其它复杂的协议例如tcp，http协议，至少说明文档看的下去。

在这里，我以推送为例子说明，虽然现在现成的推送解决方案已经比较成熟，但是这个Repeat ReInvent the Whell还是要做一下，什么都是拿来主义，和搬运工有什么区别。

1.1、MQTT协议特点：

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协议当前版本为，2014年发布的MQTT v3.1.1。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百TCP/IP网络，如：ZigBee。

MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议，提供有序、无损、双向连接。其特点包括：

  1. 使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。
  2. 对负载内容屏蔽的消息传输机制。
  3. 对传输消息有三种服务质量（QoS）：
    • 最多一次，这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1
    • 至多一次，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>=1
    • 只有一次，确保消息只有一次到达。即：＝1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别
  4. 数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有2字节），以减少网络流量
  5. 通知机制，异常中断时通知传输双方

2、MQTT协议原理

2.1 MQTT协议实现方式

 

 实现MQTT协议需要：客户端和服务器端

  • MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
  • MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分
    • 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）
    • payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容

2.2 网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。

当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

2.3 MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

  • 发布其他客户端可能会订阅的信息
  • 订阅其它客户端发布的消息
  • 退订或删除应用程序的消息
  • 断开与服务器连接

2.4 MQTT服务器

MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

  • 接受来自客户的网络连接
  • 接受客户发布的应用信息
  • 处理来自客户端的订阅和退订请求
  • 向订阅的客户转发应用程序消息

2.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话

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。

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。

负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容

2.6 MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作）， 来于表示对确定资源所进行操作。 这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。

Connect，等待与服务器建立连接

Disconnect，等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话

Subscribe，等待完成订阅

UnSubscribe，等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅

Publish，MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程

二、协议初解

先说一下整个协议的构造，整体上协议可拆分为：

 

 即：

　　固定头部+可变头部+消息体

协议说白了就是对于双方通信的一个约定，比如传过来一段字符流，第1个字节表示什么，第2个字节表示什么。。。。一个约定。

所以在固定头部的构造如下：

 

1、MessageType

 

1 CONNECT – 连接服务端：客户端到服务端的网络连接建立后， 客户端发送给服务端的第一个报文必须是CONNECT报文

2 CONNACK – 确认连接请求：服务端发送CONNACK报文响应从客户端收到的CONNECT报文。 服务端发送给客户端的第一个报文必须是CONNACK。如果客户端在合理的时间内没有收到服务端的CONNACK报文， 客户端应该关闭网络连接。合理的时间取决于应用的类型和通信基础设施。

3 PUBLISH – 发布消息：PUBLISH控制报文是指从客户端向服务端或者服务端向客户端传输一个应用消息。

4 PUBACK –发布确认：PUBACK报文是对QoS 1等级的PUBLISH报文的响应。

5 PUBREC – 发布收到（ QoS 2， 第一步）：PUBREC报文是对QoS等级2的PUBLISH报文的响应。 它是QoS 2等级协议交换的第二个报文。

6 PUBREL – 发布释放（ QoS 2， 第二步）：PUBREL报文是对PUBREC报文的响应。 它是QoS 2等级协议交换的第三个报文。

7 PUBCOMP – 发布完成（ QoS 2， 第三步）：PUBCOMP报文是对PUBREL报文的响应。 它是QoS 2等级协议交换的第四个也是最后一个报文。

8 SUBSCRIBE - 订阅主题：客户端向服务端发送SUBSCRIBE报文用于创建一个或多个订阅。 每个订阅注册客户端关心的一个或多个主题。 为了将应用消息转发给与那些订阅匹配的主题， 服务端发送PUBLISH报文给客户端。 SUBSCRIBE报文也（ 为每个订阅） 指定了最大的QoS等级， 服务端根据这个发送应用消息给客户端。

9 SUBACK – 订阅确认：服务端发送SUBACK报文给客户端， 用于确认它已收到并且正在处理SUBSCRIBE报文。

10 UNSUBSCRIBE –取消订阅：客户端发送UNSUBSCRIBE报文给服务端， 用于取消订阅主题。

11 UNSUBACK – 取消订阅确认：服务端发送UNSUBACK报文给客户端用于确认收到UNSUBSCRIBE报文。

12 PINGREQ – 心跳请求：客户端发送PINGREQ报文给服务端的。 用于：1. 在没有任何其它控制报文从客户端发给服务的时， 告知服务端客户端还活着。2. 请求服务端发送 响应确认它还活着。3. 使用网络以确认网络连接没有断开。

13 PINGRESP – 心跳响应：服务端发送PINGRESP报文响应客户端的PINGREQ报文。 表示服务端还活着。

14 DISCONNECT –断开连接：DISCONNECT报文是客户端发给服务端的最后一个控制报文。 表示客户端正常断开连接。

 
MessageType(0和15保留，共占4个字节) 
public $operations=array(
         "MQTT_CONNECT"=>1,//请求连接
         "MQTT_CONNACK"=>2,//请求应答
         "MQTT_PUBLISH"=>3,//发布消息
         "MQTT_PUBACK"=>4,//发布应答
         "MQTT_PUBREC"=>5,//发布已接收，保证传递1
         "MQTT_PUBREL"=>6,//发布释放，保证传递2
         "MQTT_PUBCOMP"=>7,//发布完成，保证传递3
         "MQTT_SUBSCRIBE"=>8,//订阅请求
         "MQTT_SUBACK"=>9,//订阅应答
         "MQTT_UNSUBSCRIBE"=>10,//取消订阅
         "MQTT_UNSUBACK"=>11,//取消订阅应答
         "MQTT_PINGREQ"=>12,//ping请求
         "MQTT_PINGRESP"=>13,//ping响应
         "MQTT_DISCONNECT"=>14//断开连接
        );
CONNECT
TCP连接建立完毕后，Client向Server发出一个Request。
如果一段时间内接收不到Server的Response，则关闭socket，重新建立一个session连接。
如果一个ClientID已经与服务器连接，则持有同样ClientID的旧有连接必须由服务器关闭后，新建立才能建立。
 
CONNACK
Server发出Response响应。
0x00 Connection Accepted
0x01 Connection Refused: unacceptable protocol version
0x02 Connection Refused: identifier rejected
0x03 Connection Refused: server unavailable
0x04 Connection Refused: bad user name or password
0x05 Connection Refused: not authorized
 
PUBLISH 发布消息
Client/Servier均可以进行PUBLISH。
publish message 应该包含一个TopicName(Subject/Channel)，即订阅关键词。
 
关于Topic通配符
/：用来表示层次，比如a/b，a/b/c。
#：表示匹配>=0个层次，比如a/#就匹配a/，a/b，a/b/c。
单独的一个#表示匹配所有。
不允许 a#和a/#/c。
+：表示匹配一个层次，例如a/+匹配a/b，a/c，不匹配a/b/c。
单独的一个+是允许的，a+不允许，a/+/b不允许
 
PUBACK 发布消息后的确认
QoS=1时，Server向Client发布该确认（Client收到确认后删除），订阅者向Server发布确认。
 
PUBREC / PUBREL / PUBCOMP
QoS=2时
1. Server->Client发布PUBREC（已收到）；
2. Client->Server发布PUBREL（已释放）；
3. Server->Client发布PUBCOMP（已完成），Client删除msg；
订阅者也会向Server发布类似过程确认。
 
PINGREQ / PINGRES 心跳
Client有责任发送KeepAliveTime时长告诉给Server。在一个时长内，发送PINGREQ，Server发送PINGRES确认。
Server在1.5个时长内未收到PINGREQ，就断开连接。
Client在1个时长内未收到PINGRES，断开连接。
一般来说，时长设置为几个分钟。最大18hours，0表示一直未断开。

2、DUP flag

 其是用来在保证消息传输可靠的，如果设置为1，则在下面的变长头部里多加MessageId,并需要回复确认，保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。

3、QoS

 主要用于PUBLISH（发布态）消息的，保证消息传递的次数。
 11保留后用
 
QoS=0：最多一次，有可能重复或丢失。
 
QoS=1：至少一次，有可能重复。
Client[Qos=1,DUP=0/*重复次数*/,MessageId=x] --->PUBLISH--> Server收到后，存储Message，发布，删除，向Client回发PUBACK
Client收到PUBACK后，删除Message；如果未收到PUBACK，设置DUP++，重新发送，Server端重新发布，所以有可能重复发送消息。
 
QoS=2：只有一次，确保消息只到达一次（用于比较严格的计费系统）。

4、Retain

 主要用于PUBLISH(发布态)的消息，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。如果不设那么推送至当前订阅的就释放了。

5、固定头部的byte 2

是用来保存接下去的变长头部+消息体的总大小的。

但是不是并不是直接保存的，同样也是可以扩展的，其机制是，前7位用于保存长度，后一部用做标识。

我举个例了，即如果计算出后面的大小为0<length<=127的，正常保存

如果是127<length<16383的，则需要二个字节保存了，将第一个字节的最大的一位置1,表示未完。然后第二个字节继续存。

拿130来说，第一个字节存10000011,第二个字节存000000001，也就是0x83,0x01,把两个字节连起来看，第二个字节权重从2的8次开始。

同起可以加第3个字节，最多可以加至第4个字节。故MQTT协议最多可以实现268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)将近256M的数据。可谓能伸能缩。

 可变头部

这个是可变头部的全貌。

1、首先最上面的8个字节是Protocol Name(编码名)，UTF编码的字符“MQIsdp”，头两个是编码名提长为6。

这里多说一些，接下去的协议多采用这种方式组合，即头两个字节表示下一部分的长，然后后面跟上内容。这里头两个字节长为6，下面跟6个字符“MQIsdp”。

2、Protocol Version，协议版本号，v3 也是固定的。

3、Connect Flag，连接标识，有点像固定头部的。8位分别代表不同的标志。第1个字节保留。

Clean Session,Will flag，Will Qos, Will Retain都是相对于CONNECT消息来说的。

Clean Session:0表示如果订阅的客户机断线了，那么要保存其要推送的消息，如果其重新连接时，则将这些消息推送。

                            1表示消除，表示客户机是第一次连接，消息所以以前的连接信息。

Will Flag，表示如果客户机在不是在发送DISCONNECT消息中断，比如IO错误等，将些置为1,要求重传。并且下且的WillQos和WillRetain也要设置，消息体中的Topic和MessageID也要设置，就是表示发生了错误，要重传。

Will Qos，在CONNECT非正常情况下设置，一般如果标识了WillFlag，那么这个位置也要标识。

Will RETAIN：同样在CONNECT中，如果标识了WillFlag,那么些位也一定要标识

usename flag和passwordflag，用来标识是否在消息体中传递用户和密码，只有标识了，消息体中的用户名和密码才用效，只标记密码而不标记用户名是不合法的。

4、Keep Alive，表示响应时间，如果这个时间内，连接或发送操作未完成，则断开tcp连接，表示离线。

5、Connect Return Code即通常于CONNACK消息中，表示返回的连接情况，我可以通过此检验连接情况。

6、Topic Name，订阅消息标识，MQTT是基于订阅/发布的消息，那么这个就是消息订阅的标识，像新闻客户端里的订阅不同的栏目一样。用于区别消息的推送类别。

主要用于PUBLISH和SUBSCRIBE中。最大可支持32767个字符，即4个字节。

消息体（PayLoad）

只有3种消息有消息体CONNECT，SUBSCRIBE，SUBACK

CONNECT主要是客户机的ClientID，订阅的Topic和Message以及用户名和密码，其于变长头部中的will是对应的。

SUBSCRIBE是包含了一系列的要订阅的主题以及QOS。

SUBACK是用服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QOS进行确认和回复。

而PUBLISH是消息体中则保存推送的消息，以二进制形式，当然这里的编辑可自定义。

7、Message Identifier

固定头中的QoS level标志值为1或2时才会在：PUBLISH，PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE，SUBACK，UNSUBSCRIBE，UNSUBACK等消息的可变头中出现。保证Message传输的可靠性。

一个16位无符号位的short类型值（值不能为 0，0做保留作为无效的消息ID），仅仅要求在一个特定方向（服务器发往客户端为一个方向，客户端发送到服务器端为另一个方向）的通信消息中必须唯一。比如客户端发往服务器，有可能存在服务器发往客户端会同时存在重复，但不碍事。

可变头部中，需要两个字节的顺序是MSB(Most Significant Bit) LSB(Last/Least Significant Bit)，翻译成中文就是，最高有效位，最低有效位。最高有效位在最低有效位左边/上面，表示这是一个大端字节/网络字节序，符合人的阅读习惯，高位在最左边。

Clean Session

 
如果为false(flag=0)，Client断开连接后，Server应该保存Client的订阅信息。
如果为true(flag=1)，表示Server应该立刻丢弃任何会话状态信息。
 

三、需要的环境：

1、PHP+Apache或Nginx

2、安装开源代理程序Mosquitto，这里用其做为代理服务器，负责连接和分发。

安装方法很简单，http://mosquitto.org/files/   binary是编译好的，source是源码安装需要的（make & make install 就行）

唯 一要配置的就是在解压后的config.mk,安装完后设置文件是mosquitto.conf

当然主要是设置是否支持ssl，还有就是config.mk最下面的安装位置的设定。这里一切默认。

默认启动是绑定的IP是本地IP，端口是1883可以在mosquitto.conf里设置（要去掉前面的#字注释），linux 中 -c 可以指定设置文件并运行

比 如： mosquitto -c /etc/mosquitto.conf

posted on 2016-04-20 22:34  duanxz  阅读(4773)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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