MQTT协议介绍

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了MQTT协议介绍相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一：MQTT

1、MQTT协议说明

（ Message Queuing Telemetry Transport）消息队列传输探测，一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议

2、MQTT协议来源

在1999年的时候，Andy Stanford-Clark和 Arlen Nipper需要一种通过卫星连接原油管道数据采集监控系统的协议，以最大限度地减少电池损耗和带宽。所以发明了MQTT协议。

3、MQTT协议使用场景

适用于低带宽和不稳定网络环境的物联网应用场景，在这样的场景中，可以用极少的代码为联网设备提供实时可靠的消息服务。

MQTT 协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、智慧城市、远程医疗、电力、石油与能源等领域。

4、MQTT协议的特点

  • 易于实现

  • 轻量高效，节省带宽，最小报文仅为 2 个字节。

  • 使用TCP进行连接，实现稳定、可靠的网络连接

  • 基于发布订阅模型，支持双工通信。

  • 灵活性、扩展性很强。

5、C/S和pub/sub的区别

C/S模式：客户端能够直接和服务器进行通信

pub/sub：将发送消息的发布者 publisher与接收消息的订阅者 subscribers进行分离，publisher 与 subscribers 并不会直接通信，他们甚至都不清楚对方是否存在，他们之间的交流由第三方组件 broker 代理。

发布-订阅模式的优点：

消除了传统c/s模式之间的直接通信，把通信这个操作交给了 broker 进行代理，并在空间、时间、同步三个维度上进行了解藕。

6、消息过滤

broker 能够对消息进行过滤，使每个订阅者只接收自己感兴趣的消息。

过滤选项：

（1）基于主题的过滤：MQTT 是基于 subject 的消息过滤的，每条消息都会有一个 topic ，接收客户端会向 borker 订阅感兴趣的 topic，订阅后，broker 就会确保客户端收到发布到 topic 中的消息。

（2）基于内容过滤：broker 会根据特定的内容过滤消息，接受客户端会经过过滤他们感兴趣的内容。

（3）基于类型过滤：使用面向对象的语言时，基于消息（事件）的类型过滤是一种比较常见的过滤方式。

7、MQTT和消息队列区别

  • 消息队列：一条消息只能被一个客户端所消费
  • MQTT：每个订阅者都会受到消息，每个订阅者有相同的负载（数据信息）

8、MQTT Client

publisher 和 subscriber 都属于 MQTT Client。之所以有发布者和订阅者这个概念，其实是一种相对的概念，就是指当前客户端是在发布消息还是在接收消息

MQTT 客户端是指运行 MQTT 库并通过网络连接到 MQTT broker 的任何设备，这些设备可以从微控制器到成熟的服务器。

9、MQTT broker

  • broker 负责接收所有消息，过滤消息，确定是哪个 client 订阅了每条消息，并将消息发送给对应的 client.
  • broker 还负责保存会话数据，这些数据包括订阅的和错过的消息。broker 还负责客户端的身份验证和授权。

10、MQTT连接

连接是client和broker之间的连接。 client 就会向 broker 发起 CONNECT 消息，代理会使用 CONNACK 消息和状态码进行响应。

一旦 client 和 broker 的连接建立后，broker 就会使客户端的连接一直处于打开状态，直到 client 发出断开命令或者连接中断。

11、消息类型说明

发布消息

  • 当 MQTT client 在连接到 broker 之后就可以发送消息了，MQTT 使用的是基于 topic 主题的过滤。每条消息都应该包含一个 topic ，broker 可以使用 topic 将消息发送给感兴趣的 client。
  • 每条消息还会包含一个负载(Payload)，Payload 中包含要以字节形式发送的数据。（数据格式由数据的发布者确定）

订阅消息

client 会向 broker 发送 SUBSCRIBE 消息来接收有关感兴趣的 topic，这个 SUBSCRIBE 消息非常简单，它包含了一个唯一的数据包标识和一个订阅列表。

确认消息

client 在向 broker 发送 SUBSCRIBE 消息后，为了确认每个订阅，broker 会向 client 发送 SUBACK 确认消息。

退订消息：

取消订阅也需要 broker 的确认，此时 broker 会向 client 发送一个 UNSUBACK 消息，这个 UNSUBACK 消息非常简单，只有一个 packetId 数据标识符。

12、topic 相关概念

在 MQTT 中，Topic 是指 broker 为每个连接的 client 过滤消息的 UTF-8 字符串。Topic 是一种分层的结构，可以由一个或者多个 Topic 组成。每个 Topic 由 / 进行分割。

与传统的消息队列相比，MQTT Topic 非常轻量级，client 在发布或订阅之前不需要先创建所需要的 Topic，broker 在接收每个 Topic 前不用进行初始化操作。

13、topic的通配符

当客户端订阅 Topic 时，它可以订阅已发布消息的确切 Topic，也可以使用通配符来同时订阅多个 Topic。通配符有两种：单级和多级。

单级通配符

单级通配符可以替换 Topic 的一个级别，+ 号代表 Topic 中的单级通配符。

多级通配符

多级通配符涵盖多个 Topic，# 代表 Topic 中的多级通配符。为了让 broker 能够确定和哪些 Topic 匹配，多级通配符必须作为 Topic 中的最后一个字符放置，并以 / 开头。

当 client 订阅带有多级通配符的 Topic 时，不论 Topic 有多长多深，它都会收到通配符之前 Topic 的所有消息。如果你只将 Topic 定义为 # 的话，那么你将会收到所有的消息

二：MQTT客户端工具

1、mosquitto

Mosquitto 是一种流行的MQTT代理和客户端库，它可以用于实现MQTT通信

mosquitto是一款实现了消息推送协议 MQTTv5.0, v3.1.1, v3.1 的开源消息代理软件，提供轻量级的，支持可发布/可订阅的的消息推送模式，使设备对设备之间的短消息通信变得简单，比如现在应用广泛的低功耗传感器，手机、嵌入式计算机、微型控制器等移动设备。

Mosquitto 安装之后默认提供了 mosquitto_pub和mosquitto_sub两个命令行 MQTT 客户端工具。

# 下载地址
	https://github.com/eclipse/mosquitto
# 官网
	https://mosquitto.org/

mosquitto_pub：

用于向mqtt broker 发送消息

相关参数：

-h 	# 指定要连接mqtt broker的地址 默认为localhost
-p 	# 指定mqtt broker的端口号
-u 	# 指定在与代理进行身份验证时要使用的用户名
-P 	# 指定在与代理进行身份验证时要使用的密码
-m 	# 消息内容
-t 	# 指定发送消息的topic名称
-i  # 用于为连接到MQTT代理的客户端分配一个唯一的客户端ID

例如：发布消息

# 将连接到本地主机上运行的MQTT代理，并发布消息“Hello, MQTT”到主题“topic/test”上。

mosquitto_pub -h localhost -t "topic/test" -m "Hello, MQTT"

# 例如 向地址为10.0.0.33发送topic为/xyz，消息为"How are you to to to?"的消息
mosquitto_pub -h 10.0.0.33 -t "/xyz" -i "client3" -m "How are you to to to?" -u bruce -P lan1532

mosquitto_sub:

用于向mqtt broker 订阅消息。

当一个MQTT客户端发布一个消息到一个特定的主题时，MQTT代理将把这个消息发送给所有订阅了这个主题的MQTT客户端。

-h 	# 指定要连接mqtt broker的地址 默认为localhost
-p 	# 指定mqtt broker的连接端口号
-u 	# 指定在与代理进行身份验证时要使用的用户名
-P 	# 指定在与代理进行身份验证时要使用的密码（大写P）
-m 	# 消息内容
-t 	# 指定订阅的topic名称 
-i  # 用于为连接到MQTT代理的客户端分配一个唯一的客户端ID

# 为了确保MQTT broker正确地将消息传递给所有订阅者，它需要对每个连接到它的客户端进行唯一标识，这就是客户端ID的作用。

例如：订阅消息

# 连接到本地主机上运行的MQTT代理，并订阅主题“topic/test”上的所有消息。
mosquitto_sub -h localhost -t "topic/test" 

# 例如：
mosquitto_sub -h localhost -t "/xyz" -i "client1"  -u bruce -P lan1532

配置文件说明：

pid_file /var/run/mosquitto.pid

# 消息持久存储
persistence true
persistence_location /var/lib/mosquitto/

# 日志文件存放位置
log_dest file /var/log/mosquitto/mosquitto.log

# 存放子配置文件位置
include_dir /etc/mosquitto/conf.d

# 指定端口号
port 1883

# 指定协议为MQTT协议 如果需要外网可以访问，就必须指定mqtt协议
protocol mqtt

# 设置最大连接数
max_connections -1

# 禁止匿名访问 默认是允许匿名用户访问的
allow_anonymous false

mqtt broker 账号密码的创建：

如果关闭了匿名用户访问，需要mqtt broker指定的账号密码才能发布或者订阅消息。

mosquitto_passwd：用于Mosquitto用户认证配置

# 格式
mosquitto_passwd [ -H hash ] [ -c | -D ] passwordfile username
# 选项
    -c  # 是创建一个新的文件，只保存一个用户
    -b  # 在文件中新增一个用户在最后
    -D  # 从文件中删除指定用户
    -H  # 指定密码加密方式

配置要点：

# 1. 配置文件中加入一下配置    
password_file /mosquitto/pwdfile  #  认证配置
acl_file /mosquitto/aclfile       #  权限配置

# 2. #创建用户和密码  mosquitto_passwd -c /mosquitto/pwdfile username
root@ubuntu1804:~# mkdir /mosquitto

root@ubuntu1804:~# mosquitto_passwd -c /mosquitto/pwdfile tom
Password: 
Reenter password: 

# 3. 权限配置
vim /mosquitto/aclfile

例如：配置mqtt broker的非匿名模式

# 1. 修改配置文件
root@ubuntu1804:~# vim /etc/mosquitto/mosquitto.conf 
pid_file /var/run/mosquitto.pid
persistence true
persistence_location /var/lib/mosquitto/
log_dest file /var/log/mosquitto/mosquitto.log
include_dir /etc/mosquitto/conf.d
allow_anonymous false
password_file /mosquitto/pwdfile
acl_file /mosquitto/aclfile
port 1883
protocol mqtt

# 2. 添加mqtt broker的用户名和权限
root@ubuntu1804:~# mosquitto_passwd -c /mosquitto/pwdfile tom
Password: 
Reenter password: 

root@ubuntu1804:~# vim /mosquitto/aclfile 
user tom
topic write  /#
topic read  /#

# 3. 重启mqtt
root@ubuntu1804:~# systemctl restart mosquitto.service 

# 4. 发起监听
root@ubuntu1804:~# mosquitto_sub -h localhost -t "/xyz" -p 1883   -u tom -P redhat

# 5. 发送消息
root@ubuntu1804:~# mosquitto_pub -h 10.0.0.33 -t "/xyz" -i "client3" -m "How are you to tom ?" -u tom -P redhat -p 1883

监听特定的topic：

发布消息：

2、MQTTX 工具

EMQX：一款应用广泛的大规模分布式物联网 MQTT 服务器。自 2013 年在 GitHub 发布开源版本以来，目前全球下载量已超千万，累计连接物联网关键设备超过 1 亿台。

MQTT X ：一款开源的跨平台桌面客户端，它简单易用且提供全面的 MQTT 5.0 功能、特性测试，可运行在macOS, Linux 和 Windows 上。

# emqx官网： https://www.emqx.io/zh/downloads?os=Windows
# 项目地址： https://github.com/emqx/MQTTX
# 下载地址： https://github.com/emqx/MQTTX/releases
# 官网：     https://mqttx.app/zh。

链接：

https://www.cnblogs.com/qumogu/p/16007609.html

https://segmentfault.com/a/1190000021106683

https://segmentfault.com/a/1190000040216396

MQTT协议

MQTT介绍

一、MQTT介绍

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、MQTT协议特点

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，简单来说订阅者发布者可以随意组合。

（2）对负载内容屏蔽的消息传输。

（3）使用TCP/IP提供网络连接。

（4）有三种消息发布服务质量：

  1. 最多一次（QoS ==0），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，倘如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
  2. 至少一次（QoS ==1），确保消息到达，但消息重复可能会发生。
  3. 只有一次（QoS ==2），确保消息到达一次。在一些要求严格的计费系统中，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。

三、MQTT协议原理

（1） MQTT协议实现方式

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）（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。在这里插入图片描述

  • MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

    （1）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）；
（2）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）网络传输与应用消息

MQTT会构建底层的网络传输：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，让你自主决定消息发送的质量。

（3）MQTT客户端:sub/pub

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：

  • （1）发布其他客户端可能会订阅的信息；

  • （2）订阅其它客户端发布的消息；

  • （3）退订或删除应用程序的消息；

  • （4）断开与服务器连接。

（4）MQTT服务器:broker

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：

  • （1）接受来自客户的网络连接；

  • （2）接受客户发布的应用信息；

  • （3）处理来自客户端的订阅和退订请求；

  • （4）向订阅的客户转发应用程序消息。

（5）MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

五、负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。
 
六、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。控制报文的类型
在这里插入图片描述
这里主要通过其余博客大致了解一番，作为自己的学习笔记，详细请看链接

MQTT_入门

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