/MQTT

MQTT通信

Primary LanguageC

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。

MQTT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。

MQTT主要特性

(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。

(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。

MQTT协议原理

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。

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。

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。

  • MQTT数据包类型位置:Byte 1中bits 7-4
  • 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 (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。

  • 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

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。

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。

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。

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。

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