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一文读懂MQTT协议是什么

文章出处:http://www.singbon.com 作者: 人气: 发表时间:2022年07月12日

[文章内容简介]:一文读懂MQTT协议是什么

一 概述
  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。
  2014年发布的MQTT v3.1.1是当前MQTT协议的最新版本。除标准版外,还有一个简化版MQTT-SN,该协议主要针对嵌入式设备,这些设备一般工作于TCP/IP网络,如:ZigBee。
 
二 设计原则
  由于物联网的环境是非常特别的,所以MQTT遵循以下设计原则:
  (1)精简,不添加可有可无的功能;
  (2)发布/订阅(Pub/Sub)模式,方便消息在传感器之间传递;
  (3)允许用户动态创建主题,零运维成本;
  (4)把传输量降到最低以提高传输效率;
  (5)把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内;
  (6)支持连续的会话控制;
  (7)理解客户端计算能力可能很低;
  (8)提供服务质量管理;
  (9)假设数据不可知,不强求传输数据的类型与格式,保持灵活性。
 
三 特性
  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。
  这一点很类似于XMPP,但是MQTT的信息冗余远小于XMPP,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。
  (2)对负载内容屏蔽的消息传输。
  (3)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。这两种版本由于基于不同的连接方式,优缺点自然也就各有不同了。
  (4)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。这一种方式主要普通APP的推送,倘若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。
  “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。在一些要求比较严格的计费系统中,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。
 
四 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。
  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。
 
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。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
  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。
 
6 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协议数据包结构
  在MQTT协议中,一个MQTT数据包由:固定头(Fixed header)、可变头(Variable header)、消息体(payload)三部分构成。MQTT数据包结构如下:
 
  (1)固定头(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。
  (2)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。
  (3)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。
 
1 MQTT固定头
  固定头存在于所有MQTT数据包中,其结构如下:
 
 
1.1 MQTT数据包类型
  位置:Byte 1中bits 7-4。
  相于一个4位的无符号值,类型、取值及描述如下:
 
 
1.2 标识位
  位置:Byte 1中bits 3-0。
  在不使用标识位的消息类型中,标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时,接收端必须关闭网络连接:
 
  (1)DUP:发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输,如果设置为1,则在下面的变长中增加MessageId,并且需要回复确认,以保证消息传输完成,但不能用于检测消息重复发送。
  (2)QoS:发布消息的服务质量,即:保证消息传递的次数
  Ø00:最多一次,即:<=1
  Ø01:至少一次,即:>=1
  Ø10:一次,即:=1
  Ø11:预留
  (3)RETAIN: 发布保留标识,表示服务器要保留这次推送的信息,如果有新的订阅者出现,就把这消息推送给它,如果设有那么推送至当前订阅者后释放。
 
1.3 剩余长度(Remaining Length)
  地址:Byte 2。
  固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的,但不是直接保存的。这一字节是可以扩展,其保存机制,前7位用于保存长度,后一部用做标识。当最后一位为1时,表示长度不足,需要使用二个字节继续保存。例如:计算出后面的大小为0
 
2 MQTT可变头
  MQTT数据包中包含一个可变头,它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同,较常的应用是作为包的标识:
 
  很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段,这些类型的包有:PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。
 
3 Payload消息体
 
  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:
  (1)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。
  (2)SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
  (3)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。
  (4)UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。
 
六 emqx使用
1 安装启动
  进入到emqx解压后目录,进入bin目录,执行其下的命令脚本:
 
$ ./bin/emqx start
emqx 4.0.0 is started successfully!
$ ./bin/emqx_ctl status
Node 'emqx@127.0.0.1' is started
emqx v4.0.0 is running
1
2
3
4
5
  停止 EMQ X Broker:
 
$ ./bin/emqx stop
ok
1
2
  卸载 EMQ X Broker,直接删除 EMQ X 目录即可。
 
2 Emqx Dashboard插件
  Emqx自带dashboard插件,通过 Dashboard,你可以查看服务器基本信息、负载情况和统计数据,可以查看某个客户端的连接状态等信息甚至断开其连接,也可以动态加载和卸载指定插件。除此之外,EMQ X Dashboard 还提供了规则引擎的可视化操作界面,同时集成了一个简易的 MQTT 客户端工具供用户测试使用。
当 EMQ X 成功运行在你的本地计算机上且 EMQ X Dashboard 被默认启用时,你可以访问 http://localhost:18083 来查看你的 Dashboard,默认用户名是 admin,密码是 public。
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原文链接:https://blog.csdn.net/essity/article/details/115071316

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