万物互联—MQTT协议

Posted 2021-03-16 jqnl

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）。

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。

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