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MQTT的介绍及使用

这篇文章主要介绍“MQTT的介绍及使用”，在日常操作中，相信很多人在MQTT的介绍及使用问题上存在疑惑，小编查阅了各式资料，整理出简单好用的操作方法，希望对大家解答”MQTT的介绍及使用”的疑惑有所帮助！接下来，请跟着小编一起来学习吧！

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1 简述

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。

MQTT的介绍及使用

2 设计规范

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：

  • 精简，不添加可有可无的功能；

  • 发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；

  • 允许用户动态创建主题，零运维成本；

  • 把传输量降到最低以提高传输效率；

  • 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；

  • 支持连续的会话控制；

  • 理解客户端计算能力可能很低；

  • 提供服务质量管理；

  • 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。

3 主要特性

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：

  • 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。

  • 对负载内容屏蔽的消息传输。

  • 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。

  • 有三种消息发布服务质量QoS (Quality of Service)：

    • At Most Once 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。

    • At Least Once 至少一次，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

    • Exactly Once 有且仅有一次，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。

  • 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。

  • 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。

4 MQTT协议原理

4.1 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）、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。

4.2 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。

4.3 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：

  • 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。

4.4 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。它位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

  • 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。

4.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话

4.5.1 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。

4.5.2 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。

4.5.3 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。

4.5.4 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。

4.5.5 负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

4.6 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：

  • 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。

5 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。

  • 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。

  • 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。

5.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，包含两部分内容：首字节(Byte 1) 和 剩余消息报文长度(1-4字节)

  • Byte 1 首字节：

    • Bit 7 6 5 4  高四位无符号值，用于表示MQTT消息的报文类型(MQTT Control Packet type)，总共可以表示2^4=16种协议类型。

    • Bit 3 2 1 0 低四位无符号值，用作某些报文的特殊标记(Flags specific to each MQTT Control Packet type)。

  • Byte 2… Remaining Length 剩余消息报文长度

5.1.1 MQTT数据包类型 MQTT Control Packet type

位于 首字节的高四位，即Byte 1中的 bits 7-4，相于一个4位的无符号值。用于确定报文类型。共有2^4=16种，其中0000和1111是保留字段。具体如下：

报文类型字段值数据方向描述
保留0禁用保留
CONNECT1Client -> Server客户端连接到服务器
CONNACK2Server -> Client连接确认
PUBLISH 3Client <-> Server发布消息
PUBACK4Client <-> Server发布确认
PUBREC5Client <-> Server消息已接收(QoS2第一阶段)
PUBREL6Client <-> Server消息释放(QoS2第二阶段)
PUBCOMP7Client <-> Server发布结束(QoS2第三阶段)
SUBSCRIBE8Client -> Server客户端订阅请求
SUBACK9Server -> Client服务端订阅确认
UNSUBACRIBE10Client -> Server客户端取消订阅
UNSUBACK11Server -> Client服务端取消订阅确认
PINGREQ12Client -> Server客户端发送心跳
PINGRESP13Server -> Client服务端回复心跳
DISCONNECT14Client -> Server客户端断开连接请求
保留15禁用保留
5.1.2 标识位 Flags specific to each MQTT Control Packet type

位于首字节的低四位，即Byte 1中bits 3-0。表示某些报文类型的控制字段，实际上只有少数报文类型有控制位。

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：

  • 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。

  • 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：<=1Ø01：至少一次，即：>=1Ø10：一次，即：=1Ø11：预留

  • 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。

5.1.3 剩余长度（Remaining Length）

用来保存变长头部(Variable Header)和消息体(Payload)的总大小。从第二字节(Byte 2)开始，最长可达4字节，所以剩余长度范围是Byte[2-5]。那么怎样确定其长度到底是1字节还是4字节呢？它先用从低位Bit 0到Bit 6来存储，当发现不够时，则将 最高位Bit 7(默认都是高字节在前)置为 1，表示长度不足，需要使用下一个字节继续保存，就继续计算字节长度；如果是0，那么就不再计算字节长度。

消息长度可以简单理解为128进制的数据，4位长度最大可以表示128, 128, 128*128Byte=256MB。但是这个长度的计算有些特别，就是低位在前，高位在后(因为正常的表示方法是高位在前，低位在后)，字节最高位Bit7用于标记是否需要继续计算消息长度。以下是消息长度的长度范围：

字节数长度最小值长度最大值
10(0x00)127(0x7F)
2128 (0x80, 0x01)16 383 (0xFF, 0x7F)
316 384 (0x80, 0x80, 0x01)2 097 151 (0xFF, 0xFF, 0x7F)
42 097 152 (0x80, 0x80, 0x80, 0x01)268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)

5.2 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。

5.3 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：

  • 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。

到此，关于“MQTT的介绍及使用”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注创新互联网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！


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