MQTT协议

一、简介

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输),最早是1999年由IBM开发的基于发布/订阅范式的消息协议,是一种极其简单和轻量级的消息协议,专为受限设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络设计。

自1999年以来, 已在多个行业广泛实施,是一种物联网和移动互联网领域的行业标准协议,适合移动终端之间的数据传输,用于端与云之间的消息传递,实现真正意义上的万物互联。

二、应用场景

由于MQTT 版的多协议、多语言和多平台的支持能力的特性,使其目前广泛应用于机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)领域,覆盖了车联网、智能餐饮、即时聊天、智能家居、医疗设备、物流等多种应用场景。

三、协议特性

  1. 发布/订阅范式消息模式,提供一对多的消息发布;

  2. 使用 TCP/IP 提供网络连接,实现有序的、可靠的、双向字节流传输;

  3. 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;

  4. 使用 Last Will(遗言机制) 和 Testament (遗嘱机制)通知有关各方客户端异常中断的机制;

  5. 消息服务质量(QoS)支持,可靠传输保证,三种消息发布服务质量(QoS):

分类 描述
QoS0: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
QoS1:至少一次 确保消息到达,但消息重复可能会发生
QoS2:只有一次 确保消息到达一次。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

四、实现原理

1. 概念内容

(1)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。

(2)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。

(3)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。MQTT中消息主题按照层级命名,使用 ‘/’ 进行分割。

(4)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。

(5)负载(Payload):

消息订阅者所具体接收的内容。

2. 实现方式:

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成,在通讯过程中,MQTT协议中有三种身份:发布者(Publish)、代理(Broker)、订阅者(Subscribe)。

过程.png

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,可以理解为相同类型或相似类型的消息集合,订阅者订阅(Subscribe)后,就会收到该主题的消息内容(payload);

  • Payload,可以理解为发布者和订阅者交换的内容(负载),这些消息包含具体的内容,可以被订阅者使用。

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,Publisher和Subscriber都属于客户端。

  • 发布应用消息给其它相关的客户端。

  • 订阅以请求接受相关的客户端应用消息。

  • 取消订阅不再接受相关客户端应用消息。

  • 断开与服务器连接。

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。

  • 接受来自客户端的网络连接。

  • 接受客户端发布的应用消息。

  • 处理客户端的订阅和取消订阅请求。

  • 转发应用消息给符合条件的已订阅客户端。

5. 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。主要方法有:

(1)Connect:等待与服务器建立连接;

(2)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;

(3)Subscribe:等待完成订阅;

(4)UnSubscribe:等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅;

(5)Publish:MQTT客户端发送消息请求,发送完成后返回应用程序线程。

五、MQTT控制包

在网络连接上发送的信息包,MQTT 规范定义了十四个不同类型的控制包,其中之一 (PUBLISH 发布包) 用来发送应用程序消息。

1. 控制包格式

MQTT通过交换一些预定义的MQTT控制包来工作。这一节描述这些包的格式。 一个MQTT控制包包含三部分:

(1)固定包头(Fixed header),存在于所有MQTT控制包 ;

  • MQTT控制包类型:

    字节1,位7-4 表现为4位无符号值;

  • 标识:

    固定包头字节1中剩下的位[3-0]包含了每个MQTT控制包类型的特殊标识;被标识为“预留”的标识位也必须赋值;如果收到不可用的标识,接收方必须关闭网络连接;

  • 剩余长度:

    从第二个字节开始,剩余长度是指当前包中的剩余字节,包括可变包头的数据以及载荷。剩余长度不包含用来编码剩余长度的字节。

(2) 可变包头(Variable header),存在于某些MQTT控制包 ,位于固定包头和载荷之间,可变包头的内容取 决于包的类型。

  • 很多类型的控制包的可变包头结构都包含了2字节的唯一标识字段,这些控制包是PUBLISH(QoS > 0),PUBACK,PUBREC,PUBREL,PUBCOMP,SUBSCRIBE,SUBACK,UNSUBSCRIBE,UNSUBACK。

  • SUBSCRIBE,UNSUBSCRIBE,PUBLISH(QoS > 0 的时候)控制包必须包含非零的唯一标识。每次客户端发送上述控制包的时候,必须分配一个未使用过的唯一标识。如果一个客户端重新发送一个特别的控制包,必须使用相同的唯一标识符。唯一标识会在客户端收到相应的确认包之后变为可用。例如PUBLIST在QoS1的时候对应PUBACK;在QoS2时对应PUBCOMP。对于SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE对应SUBACK和UNSUBACK。服务端发送QoS>0的PUBLISH时,上述内容同样适用。

  • QoS为0的PUBLISH包不允许包含唯一标识。

  • PUBACK,PUBREC,PUBREL包的唯一标识必须和对应的PUBLISH相同 。同样的SUBACK和UNSUBACK的唯一标识必须与对应的SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE包相同。

  • 客户端和服务端各自独立分配唯一标识。因此,一对客户端和服务端交换数据的时候可以使用相同的唯一标识。

(3) 载荷(Payload),存在于某些MQTT控制包。Payload消息体位MQTT数据包的第三部分,包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息:

  • CONNECT,消息体内容主要是:客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。

  • SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。

  • SUBACK,消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。

  • UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。

2. MQTT 14个控制包:

  • CONNECT = 0x01 连接请求:客户端请求连接到服务器;

  • CONACK = 0x02 连接确认;

  • PUBLISH = 0x03 发布消息;

  • PUBACK = 0x04 发布确认;

  • PUBREC = 0x05 发布信息收到(确保分发的第1部分);

  • PUBREL = 0x06 发布信息分发(确保分发的第2部分);

  • PUBCOMP = 0x07 发布完成(确保分发的第3部分);

  • SUBSCRIBE = 0x08 客户端订阅请求;

  • SUBACK = 0x09 订阅确认;

  • UNSUBSCRIBE = 0x0a 客户端取消订阅请求;

  • UNSUBACK = 0x0b 取消订阅确认;

  • PINGREQ = 0x0c ping请求;

  • PINGRESP = 0x0d ping响应;

  • DISCONNECT = 0x0e 客户端正在断开连接。

如果想要获取更多详细内容,可以查阅中文MQTT网站,有关MQTT信息很详细,或者直接前往MQTT官网地址查看。

欢迎关注公众号:几圈年轮,查看更多有趣的技术、工具、闲言、资源。
公众号.png

posted @ 2020-01-11 16:23  几圈年轮  阅读(693)  评论(0编辑  收藏  举报