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    一文讀懂MQTT協議是什么

    文章出處:http://www.sysysnr.com 作者: 人氣: 發表時間:2022年07月12日

    [文章內容簡介]:一文讀懂MQTT協議是什么

    一 概述
      MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息隊列遙測傳輸協議),是一種基于發布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通訊協議,該協議構建于TCP/IP協議上,由IBM在1999年發布。MQTT最大優點在于,可以以極少的代碼和有限的帶寬,為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協議,使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。
      MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議。MQTT協議是輕量、簡單、開放和易于實現的,這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下,包括受限的環境中,如:機器與機器(M2M)通信和物聯網(IoT)。其在,通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。
      2014年發布的MQTT v3.1.1是當前MQTT協議的最新版本。除標準版外,還有一個簡化版MQTT-SN,該協議主要針對嵌入式設備,這些設備一般工作于TCP/IP網絡,如:ZigBee。
     
    二 設計原則
      由于物聯網的環境是非常特別的,所以MQTT遵循以下設計原則:
      (1)精簡,不添加可有可無的功能;
      (2)發布/訂閱(Pub/Sub)模式,方便消息在傳感器之間傳遞;
      (3)允許用戶動態創建主題,零運維成本;
      (4)把傳輸量降到最低以提高傳輸效率;
      (5)把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在內;
      (6)支持連續的會話控制;
      (7)理解客戶端計算能力可能很低;
      (8)提供服務質量管理;
      (9)假設數據不可知,不強求傳輸數據的類型與格式,保持靈活性。
     
    三 特性
      MQTT協議工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議,它具有以下主要的幾項特性:
      (1)使用發布/訂閱消息模式,提供一對多的消息發布,解除應用程序耦合。
      這一點很類似于XMPP,但是MQTT的信息冗余遠小于XMPP,因為XMPP使用XML格式文本來傳遞數據。
      (2)對負載內容屏蔽的消息傳輸。
      (3)使用TCP/IP提供網絡連接。
      主流的MQTT是基于TCP連接進行數據推送的,但是同樣有基于UDP的版本,叫做MQTT-SN。這兩種版本由于基于不同的連接方式,優缺點自然也就各有不同了。
      (4)有三種消息發布服務質量:
      “至多一次”,消息發布完全依賴底層TCP/IP網絡。會發生消息丟失或重復。這一級別可用于如下情況,環境傳感器數據,丟失一次讀記錄無所謂,因為不久后還會有第二次發送。這一種方式主要普通APP的推送,倘若你的智能設備在消息推送時未聯網,推送過去沒收到,再次聯網也就收不到了。
      “至少一次”,確保消息到達,但消息重復可能會發生。
      “只有一次”,確保消息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統中,可以使用此級別。在計費系統中,消息重復或丟失會導致不正確的結果。這種最高質量的消息發布服務還可以用于即時通訊類的APP的推送,確保用戶收到且只會收到一次。
      (5)小型傳輸,開銷很小(固定長度的頭部是2字節),協議交換最小化,以降低網絡流量。
      這就是為什么在介紹里說它非常適合“在物聯網領域,傳感器與服務器的通信,信息的收集”,要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱,使用這種協議來傳遞消息再適合不過了。
      (6)使用Last Will和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。
      Last Will:即遺言機制,用于通知同一主題下的其他設備發送遺言的設備已經斷開了連接。
      Testament:遺囑機制,功能類似于Last Will。
     
    四 MQTT協議原理
    1 MQTT協議實現方式
     
      實現MQTT協議需要客戶端和服務器端通訊完成,在通訊過程中,MQTT協議中有三種身份:發布者(Publish)、代理(Broker)(服務器)、訂閱者(Subscribe)。其中,消息的發布者和訂閱者都是客戶端,消息代理是服務器,消息發布者可以同時是訂閱者。
      MQTT傳輸的消息分為:主題(Topic)和負載(payload)兩部分:
      (1)Topic,可以理解為消息的類型,訂閱者訂閱(Subscribe)后,就會收到該主題的消息內容(payload);
      (2)payload,可以理解為消息的內容,是指訂閱者具體要使用的內容。
     
    2 網絡傳輸與應用消息
      MQTT會構建底層網絡傳輸:它將建立客戶端到服務器的連接,提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于字節流的雙向傳輸。
      當應用數據通過MQTT網絡發送時,MQTT會把與之相關的服務質量(QoS)和主題名(Topic)相關連。
     
    3 MQTT客戶端
      一個使用MQTT協議的應用程序或者設備,它總是建立到服務器的網絡連接。客戶端可以:
      (1)發布其他客戶端可能會訂閱的信息;
      (2)訂閱其它客戶端發布的消息;
      (3)退訂或刪除應用程序的消息;
      (4)斷開與服務器連接。
     
    4 MQTT服務器
      MQTT服務器以稱為“消息代理”(Broker),可以是一個應用程序或一臺設備。它是位于消息發布者和訂閱者之間,它可以:
      (1)接受來自客戶的網絡連接;
      (2)接受客戶發布的應用信息;
      (3)處理來自客戶端的訂閱和退訂請求;
      (4)向訂閱的客戶轉發應用程序消息。
     
    5 MQTT協議中的訂閱、主題、會話
      一、訂閱(Subscription)
      訂閱包含主題篩選器(Topic Filter)和最大服務質量(QoS)。訂閱會與一個會話(Session)關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。
      二、會話(Session)
      每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話,客戶端和服務器之間有狀態交互。會話存在于一個網絡之間,也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。
      三、主題名(Topic Name)
      連接到一個應用程序消息的標簽,該標簽與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。
      四、主題篩選器(Topic Filter)
      一個對主題名通配符篩選器,在訂閱表達式中使用,表示訂閱所匹配到的多個主題。
      五、負載(Payload)
      消息訂閱者所具體接收的內容。
     
    6 MQTT協議中的方法
      MQTT協議中定義了一些方法(也被稱為動作),來于表示對確定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的數據或動態生成數據,這取決于服務器的實現。通常來說,資源指服務器上的文件或輸出。主要方法有:
      (1)Connect。等待與服務器建立連接。
      (2)Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作,并與服務器斷開TCP/IP會話。
      (3)Subscribe。等待完成訂閱。
      (4)UnSubscribe。等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。
      (5)Publish。MQTT客戶端發送消息請求,發送完成后返回應用程序線程。
     
    五 MQTT協議數據包結構
      在MQTT協議中,一個MQTT數據包由:固定頭(Fixed header)、可變頭(Variable header)、消息體(payload)三部分構成。MQTT數據包結構如下:
     
      (1)固定頭(Fixed header)。存在于所有MQTT數據包中,表示數據包類型及數據包的分組類標識。
      (2)可變頭(Variable header)。存在于部分MQTT數據包中,數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。
      (3)消息體(Payload)。存在于部分MQTT數據包中,表示客戶端收到的具體內容。
     
    1 MQTT固定頭
      固定頭存在于所有MQTT數據包中,其結構如下:
     
     
    1.1 MQTT數據包類型
      位置:Byte 1中bits 7-4。
      相于一個4位的無符號值,類型、取值及描述如下:
     
     
    1.2 標識位
      位置:Byte 1中bits 3-0。
      在不使用標識位的消息類型中,標識位被作為保留位。如果收到無效的標志時,接收端必須關閉網絡連接:
     
      (1)DUP:發布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸,如果設置為1,則在下面的變長中增加MessageId,并且需要回復確認,以保證消息傳輸完成,但不能用于檢測消息重復發送。
      (2)QoS:發布消息的服務質量,即:保證消息傳遞的次數
      Ø00:最多一次,即:<=1
      Ø01:至少一次,即:>=1
      Ø10:一次,即:=1
      Ø11:預留
      (3)RETAIN: 發布保留標識,表示服務器要保留這次推送的信息,如果有新的訂閱者出現,就把這消息推送給它,如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。
     
    1.3 剩余長度(Remaining Length)
      地址:Byte 2。
      固定頭的第二字節用來保存變長頭部和消息體的總大小的,但不是直接保存的。這一字節是可以擴展,其保存機制,前7位用于保存長度,后一部用做標識。當最后一位為1時,表示長度不足,需要使用二個字節繼續保存。例如:計算出后面的大小為0
     
    2 MQTT可變頭
      MQTT數據包中包含一個可變頭,它駐位于固定的頭和負載之間。可變頭的內容因數據包類型而不同,較常的應用是作為包的標識:
     
      很多類型數據包中都包括一個2字節的數據包標識字段,這些類型的包有:PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。
     
    3 Payload消息體
     
      Payload消息體位MQTT數據包的第三部分,包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息:
      (1)CONNECT,消息體內容主要是:客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
      (2)SUBSCRIBE,消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
      (3)SUBACK,消息體內容是服務器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。
      (4)UNSUBSCRIBE,消息體內容是要訂閱的主題。
     
    六 emqx使用
    1 安裝啟動
      進入到emqx解壓后目錄,進入bin目錄,執行其下的命令腳本:
     
    $ ./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
      卸載 EMQ X Broker,直接刪除 EMQ X 目錄即可。
     
    2 Emqx Dashboard插件
      Emqx自帶dashboard插件,通過 Dashboard,你可以查看服務器基本信息、負載情況和統計數據,可以查看某個客戶端的連接狀態等信息甚至斷開其連接,也可以動態加載和卸載指定插件。除此之外,EMQ X Dashboard 還提供了規則引擎的可視化操作界面,同時集成了一個簡易的 MQTT 客戶端工具供用戶測試使用。
    當 EMQ X 成功運行在你的本地計算機上且 EMQ X Dashboard 被默認啟用時,你可以訪問 http://localhost:18083 來查看你的 Dashboard,默認用戶名是 admin,密碼是 public。
    ————————————————
    版權聲明:本文為CSDN博主「Kessity」的原創文章,遵循CC 4.0 BY-SA版權協議,轉載請附上原文出處鏈接及本聲明。
    原文鏈接:https://blog.csdn.net/essity/article/details/115071316

    本文關鍵詞:MQTT協議
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