[MQTT] MQTT协议

Posted 2020-12-16 ycx95

MQTT协议

写于2020.7.16

MQTT是什么

参考：

https://mcxiaoke.gitbooks.io/mqtt-cn/content/mqtt/01-Introduction.html MQTT协议中文版本教程？

https://www.runoob.com/w3cnote/mqtt-intro.html 菜鸟教程

https://www.jianshu.com/p/d42492d52491 MQTT+TLS示例

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提供有序的、可靠的、双向字节流传输。

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补充：MQTT 是一个 发布订阅线路协议(publish/subscription wire protocol)，为小规模设备设计。发布订阅系统工作原理类似于消息总线。你将一条消息发布到一个 主题(topic)上，那么所有订阅了该主题的客户端都可以获得该消息的一份拷贝。对于消息发送者而言，无需知道哪些人在订阅消息；你只需将消息发布到一系列主题，并订阅一些你感兴趣的主题。就像参加了一场聚会，你选取并加入感兴趣的对话。

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客户端-服务器：服务器--publish---> MQTT Broker ----Subscribe---> 客户端
$$
主要特性如下：

• 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。

• 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。

• 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。

  "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。

• 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（遗言机制）和Testament（遗嘱机制）特性通知有关各方客户端异常中断的机制

MQTT协议原理

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）。

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。

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。

MQTT服务器：称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。

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

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）

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

在MQTT协议中需要掌握以下几个专业名词含义：

名词	解释
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。
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。

在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：

方法	解释
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

MQTT控制报文格式

MQTT协议中，一个数据包即MQTT控制报文的结构由以下三部分组成：

• 固定报头（Fixed header）。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
• 可变头（Variable header）。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
• 消息体（Payload）。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

每个MQTT控制报文都包含一个固定报头固定报头Fixed header，固定报头格式如下图：

某些MQTT控制报文包含一个可变报头部分。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（Packet Identifier）字段存在于在多个类型的报文里。