TCP/IP, WebSocket 和 MQTT

按照OSI网络分层模型，IP是网络层协议，TCP是传输层协议，而HTTP和MQTT是应用层的协议。在这三者之间， TCP是HTTP和MQTT底层的协议。大家对HTTP很熟悉，这里简要介绍下MQTT。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器的通信协议。

HTTP的不足

HTTP协议经过多年的使用，发现了一些不足，主要是性能方面的，包括：

HTTP的连接问题，HTTP客户端和服务器之间的交互是采用请求/应答模式，在客户端请求时，会建立一个HTTP连接，然后发送请求消息，服务端给出应答消息，然后连接就关闭了。（后来的HTTP1.1支持持久连接）
因为TCP连接的建立过程是有开销的，如果使用了SSL/TLS开销就更大。

在浏览器里，一个网页包含许多资源，包括HTML，CSS，JavaScript，图片等等，这样在加载一个网页时要同时打开连接到同一服务器的多个连接。

HTTP消息头问题，现在的客户端会发送大量的HTTP消息头，由于一个网页可能需要50-100个请求，就会有相当大的消息头的数据量。

HTTP通信方式问题，HTTP的请求/应答方式的会话都是客户端发起的，缺乏服务器通知客户端的机制，在需要通知的场景，如聊天室，游戏，客户端应用需要不断地轮询服务器。

而 WebSocket是从不同的角度来解决这些不足中的一部分。还有其他技术也在针对这些不足提出改进。
WebSocket
WebSocket则提供使用一个TCP连接进行双向通讯的机制，包括网络协议和API，以取代网页和服务器采用HTTP轮询进行双向通讯的机制。

本质上来说，WebSocket是不限于HTTP协议的，但是由于现存大量的HTTP基础设施，代理，过滤，身份认证等等，WebSocket借用HTTP和HTTPS的端口。由于使用HTTP的端口，因此TCP连接建立后的握手消息是基于HTTP的，由服务器判断这是一个HTTP协议，还是WebSocket协议。 WebSocket连接除了建立和关闭时的握手，数据传输和HTTP没丁点关系了。

历时11年，WebSocket终于被批准成为IETF的建议标准：RFC6455.其前身是WHATWG （Web Hypertext Application Technology Working Group）的工作。而Web Socket的API,是W3C的工作。

WebSocket可以只打开一个到服务器的链接，并且在此链接上交换信息。其优势在于减少了传统方法的复杂性，提高了可靠性和降低了浏览器和客户端之间的负载。这样做的一个重要原因是，很多防火墙屏蔽80以外的端口，迫使越来越多的应用迁移到HTTP上来了。

11年的websocket草案的变迁中，有的浏览器支持的是旧版本的websocket，比如iPhone4上的safari使用的WebSocket是旧版的握手协议,那么就要使用就的握手协议来制做服务器端。如今只有Safari支持旧版本的协议，Chrome和Firefox最新版都已升级至Hybi-10（协议地址）。因此，我们再来看一下WebSocket新版协议Hybi-10。这次协议变更非常大，主要集中在握手协议和数据传输的格式上。

握手协议

我们先来看一下大致的区别：

最老的websocket草案标准中是没有安全key，草案7.5、7.6中有两个安全key，而现在的草案10中只有一个安全key，即将 7.5、7.6中http头中的"Sec-WebSocket-Key1″与"Sec-WebSocket-Key2″合并为了一个"Sec- WebSocket-Key"
把http头中Upgrade的值由"WebSocket"修改为了"websocket"；http头中的"-Origin"修改为了"Sec-WebSocket-Origin";
增加了http头"Sec-WebSocket-Accept"，用来返回原来草案7.5、7.6服务器返回给客户端的握手验证，原来是以内容的形式返回，现在是放到了http头中；另外服务器返回客户端的验证方式也有变化。

服务器生成验证的方式变化较大，我们来做一介绍。

旧版：

1 GET / HTTP/1.1
2 Upgrade: WebSocket
3 Connection: Upgrade
4 Host: 127.0.0.1:1337
5 Origin: http://127.0.0.1:8000
6 Cookie: sessionid=xxxx; calView=day; dayCurrentDate=1314288000000
7 Sec-WebSocket-Key1: cV`p1* 42#7 ^9}_ 647 08{
8 Sec-WebSocket-Key2: O8 415 8x37R A8 4
9 ;"######

旧版生成Token的方法如下：

取出Sec-WebSocket-Key1中的所有数字字符形成一个数值，这里是1427964708，然后除以Key1中的空格数目，得到一个数值，保留该数值整数位，得到数值N1；对Sec-WebSocket-Key2采取同样的算法，得到第二个整数N2；把N1和N2按照Big- Endian字符序列连接起来，然后再与另外一个Key3连接，得到一个原始序列ser_key。Key3是指在握手请求最后，有一个8字节的奇怪的字符串";"######"，这个就是Key3。然后对ser_key进行一次md5运算得出一个16字节长的digest，这就是老版本协议需要的 token，然后将这个token附在握手消息的最后发送回Client，即可完成握手。

新版：

1 GET / HTTP/1.1
2 Upgrade: websocket
3 Connection: Upgrade
4 Host: 127.0.0.1:1337
5 Sec-WebSocket-Origin: http://127.0.0.1:8000
6 Sec-WebSocket-Key: erWJbDVAlYnHvHNulgrW8Q==
7 Sec-WebSocket-Version: 8
8 Cookie: csrftoken=xxxxxx; sessionid=xxxxx

新版生成Token的方法如下：

首先服务器将key（长度24）截取出来，如4tAjitqO9So2Wu8lkrsq3w==，用它和自定义的一个字符串（长度 36）258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11连接起来，然后把这一字符串进行SHA-1算法加密，得到长度为20字节的二进制数据，再将这些数据经过Base64编码，最终得到服务端的密钥，也就是ser_key。服务器将ser_key附在返回值Sec- WebSocket-Accept后，至此握手成功。

WebSocket也有自己一套帧协议。数据报文格式如下：

0 1 2 3

01234567890123456789012345678901

+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+

|F|R|R|R|opcode|M|Payload len| Extended payload length |

|I|S|S|S| (4) |A| (7) | (16/63) |

|N|V|V|V| |S| | (ifpayload len==126/127) |

||1|2|3| |K| | |

+-+-+-+-+-------+-+-------------+---------------+

| Extended payload length continued,ifpayload len==127 |

+---------------+-------------------------------+

| |Masking-key,ifMASK set to1 |

+-------------------------------+-------------------------------+

|Masking-key(continued) | Payload Data |

+-----------------------------------------------+

: Payload Data continued... :

+-------------------------------+

| Payload Data continued... |

+---------------------------------------------------------------+

FIN：1位，用来表明这是一个消息的最后的消息片断，当然第一个消息片断也可能是最后的一个消息片断；

RSV1, RSV2, RSV3: 分别都是1位，如果双方之间没有约定自定义协议，那么这几位的值都必须为0,否则必须断掉WebSocket连接；

Opcode:4位操作码，定义有效负载数据，如果收到了一个未知的操作码，连接也必须断掉，以下是定义的操作码：

%x0 表示连续消息片断
%x1 表示文本消息片断
%x2 表未二进制消息片断
%x3-7 为将来的非控制消息片断保留的操作码
%x8 表示连接关闭
%x9 表示心跳检查的ping
%xA 表示心跳检查的pong
%xB-F 为将来的控制消息片断的保留操作码

Mask:1位，定义传输的数据是否有加掩码,如果设置为1,掩码键必须放在masking-key区域，客户端发送给服务端的所有消息，此位的值都是1；

Payload length: 传输数据的长度，以字节的形式表示：7位、7+16位、或者7+64位。如果这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；如果这个值是126，则随后的两个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；如果这个值是127,则随后的是8个字节表示的一个64位无符合数，这个数用来表示传输数据的长度。多字节长度的数量是以网络字节的顺序表示。负载数据的长度为扩展数据及应用数据之和，扩展数据的长度可能为0,因而此时负载数据的长度就为应用数据的长度。

Masking-key:0或4个字节，客户端发送给服务端的数据，都是通过内嵌的一个32位值作为掩码的；掩码键只有在掩码位设置为1的时候存在。
Payload data: (x+y)位，负载数据为扩展数据及应用数据长度之和。
Extension data:x位，如果客户端与服务端之间没有特殊约定，那么扩展数据的长度始终为0，任何的扩展都必须指定扩展数据的长度，或者长度的计算方式，以及在握手时如何确定正确的握手方式。如果存在扩展数据，则扩展数据就会包括在负载数据的长度之内。
Application data:y位，任意的应用数据，放在扩展数据之后，应用数据的长度=负载数据的长度-扩展数据的长度。

三、 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议，设计思想是开放、简单、轻量、易于实现。这些特点使它适用于受限环境。例如，但不仅限于此：

网络代价昂贵，带宽低、不可靠。
在嵌入设备中运行，处理器和内存资源有限。

该协议的特点有：

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。
对负载内容屏蔽的消息传输。
使用 TCP/IP 提供网络连接。
有三种消息发布服务质量：
"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。
"至少一次"，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
"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。
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。
使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

早在1999年，IBM的Andy Stanford-Clark博士以及Arcom公司ArlenNipper博士发明了MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）技术。BM和St. Jude医疗中心通过MQTT开发了一套Merlin系统，该系统使用了用于家庭保健的传感器。St. Jude医疗中心设计了一个叫做Merlin@home的心脏装置，这种无限发射器可以用来监控那些已经植入复律-除颤器和起搏器（两者都是基本的传感器）的心脏病人。

该产品利用MQTT把病人的即时更新信息传给医生/医院，然后医院进行保存。这样的话，病人就不用亲自去医院检查心脏仪器了，医生可以随时查看病人的数据，给出建议，病人在家里就可以自行检查。

IBM称该发射器包括一个大型触摸屏，一个嵌入式键盘平台，以及一个Linux操作系统。

在未来几年，MQTT的应用会越来越广，值得关注。

通过MQTT协议，目前已经扩展出了数十个MQTT服务器端程序，可以通过PHP，JAVA，Python，C，C#等系统语言来向MQTT发送相关消息。

此外，国内很多企业都广泛使用MQTT作为Android手机客户端与服务器端推送消息的协议。其中Sohu，Cmstop手机客户端中均有使用到MQTT作为消息推送消息。据Cmstop主要负责消息推送的高级研发工程师李文凯称，随着移动互联网的发展，MQTT由于开放源代码，耗电量小等特点，将会在移动消息推送领域会有更多的贡献，在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集，MQTT都可以作为考虑的方案之一。在未来MQTT会进入到我们生活的各各方面。

如果需要下载MQTT服务器端，可以直接去MQTT官方网站点击software进行下载MQTT协议衍生出来的各个不同版本。

MQTT和TCP、WebSocket的关系可以用下图一目了然:

MQTT协议专注于网络、资源受限环境，建立之初不曾考虑WEB环境。HTML5 Websocket是建立在TCP基础上的双通道通信，和TCP通信方式很类似，适用于WEB浏览器环境。虽然MQTT基因层面选择了TCP作为通信通道，但我们添加个编解码方式，MQTT over Websocket也可以的。这样做的好处，MQTT的使用范畴被扩展到HTML5、桌面端浏览器、移动端WebApp、Hybrid等，多了一些想像空间。这样看来，无论是移动端，还是WEB端，MQTT都会有自己的使用空间。

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