MQTT协议的学习

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MQTT简介

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)是IBM开发的一个即时通讯协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范,因此易于实现。这些特点使得它对很多场景来说都是很好的选择,包括受限的环境如机器与机器的通信(M2M)以及物联网环境(IoT),这些场景要求很小的代码封装或者网络带宽非常昂贵。

MQTT协议是为大量计算能力有限,且工作在低带宽、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(Publish)/订阅/(Subscribe)消息模式,提供一对多的消息发布,解除应用程序耦合
  • 对负载内容屏蔽的消息传输
  • 使用TCP/IP提供网络连接
  • 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。
    • “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。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。
  • 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
  • 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制

简单的说MQTT协议是一个轻量级的即时通讯协议。因为它被运用在一些硬件和网络不太好的环境,所以它对设备的要求不会太高,以适应艰难的环境。同时要保证信息传递的质量,所以有三种发布质量模式(QoS)

它原生条件下是基于TCP/IP的的应用层协议屏蔽了消息传输的具体数据交互格式。也就是不用关心底层是怎么传输的,数据用的是什么格式来传输的在物联网领域(IoT,Internet of Things)未来会有大发展。

MQTT的发展背景

物联网中的数据传输会面临很多问题,比如在网络不稳定的情况下,如果保证数据的传输没有问题,如何保证数据不被重复发送,连接断开后如何进行重连。总体来说,物联网的接入会面临以下几个方面的挑战:

  • 设备、传感器。物联网接入对终端采集和控制设备要求高,且终端的改造以及网络费用成本也比较高。另外,其对终端的能耗要求也比较高。
  • 网络。现有的网络传输贷款参差不齐,传输网络不稳定。
  • 服务器。高并发情况下,多客户端的接入能力以及消息处理能力。

MQTT的发展历史

在物联网中,开源和开放标准是基本的要素。MQTT的发展历史大致如下:

  • 1999年,IBM和合作伙伴共同发明了MQTT协议。
  • 2004年,org开放了论坛,供大家广泛参与。
  • 2011年,IBM建立了Eclipse开源项目Paho,并贡献了代码。Eclipse Paho是MQTT的Java实现版本。
  • 2013年,OASIS MQTT技术规范委员会成立。
  • 2014年,MQTT正式成为推荐的物联网传输协议标准。

MQTT协议

目前MQTT大家都用在了手机推送,如FacebookMessenger,因为小巧,省电,协议开销小和能高效的向一和多个接收者传递信息,故适用于移动应用设备上。那么轻巧在哪里呢,协议简单,最小的头部只需2个字节。相对于XMPP,MQTT更加轻量级,并且占用用户很少的带宽。整体上协议可拆分为:固定头部+可变头部+消息体

mt

MessageType(0和15保留,共占4个字节)

  • “MQTT_CONNECT”=>1,//请求连接
  • “MQTT_CONNACK”=>2,//请求应答
  • “MQTT_PUBLISH”=>3,//发布消息
  • “MQTT_PUBACK”=>4,//发布应答
  • “MQTT_PUBREC”=>5,//发布已接收,保证传递1
  • “MQTT_PUBREL”=>6,//发布释放,保证传递2
  • “MQTT_PUBCOMP”=>7,//发布完成,保证传递3
  • “MQTT_SUBSCRIBE”=>8,//订阅请求
  • “MQTT_SUBACK”=>9,//订阅应答
  • “MQTT_UNSUBSCRIBE”=>10,//取消订阅
  • “MQTT_UNSUBACK”=>11,//取消订阅应答
  • “MQTT_PINGREQ”=>12,//ping请求
  • “MQTT_PINGRESP”=>13,//ping响应
  • “MQTT_DISCONNECT”=>14//断开连接

DUP flag

用来在保证消息传输可靠的,如果设置为1,则在下面的变长头部里多加MessageId,并需要回复确认,保证消息传输完成,但不能用于检测消息重复发送。

Qos

主要用于PUBLISH(发布态)消息的,保证消息传递的次数。

  • 00表示最多一次 即<=1
  • 01表示至少一次 即>=1
  • 10表示一次,即==1
  • 11保留后用

Retain

主要用于PUBLISH(发布态)的消息,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。如果不设那么推送至当前订阅的就释放了。

固定头部的byte 2

是用来保存接下去的变长头部+消息体的总大小的。但可以不直接保存的,同样也是可以扩展,其机制是前7位用于保存长度,后一部用做标识。

我举个例了,即如果计算出后面的大小为0<length<=127的,正常保存;如果是127<length<16383的,则需要二个字节保存了,将第一个字节的最大的一位置1,表示未完。然后第二个字节继续存。

拿130来说,第一个字节存10000011,第二个字节存000000001,也就是0x83,0x01,把两个字节连起来看,第二个字节权重从2的8次开始。同起可以加第3个字节,最多可以加至第4个字节。故MQTT协议最多可以实现268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)将近256M的数据。可谓能伸能缩。

mtqq-2

MQTT的使用

MQTT协议的架构,用一个示例说明。比如有1个温度传感器(1个Machine),2个小的显示屏(2个Machine),显示屏要显示温度传感器的温度值。可通过MQTT V3.1 Protocol Specification查阅详细规范的细节。

显示器需要先通过MQTT协议subscribe(订阅)一个比如叫temperature的topic(主题):

mqtt-3

当温度传感器publish(发布)温度数据,显示器就可以收到了:

mqtt-4

注:以上两张图,取自MQTT and CoAP, IoT Protocols

协议里还有2个主要的角色:

  • client,客户端
  • broker,服务器端

它们是通过TCP/IP协议连接的。因为MQTT是协议,所以不能拿来直接用的,就好比HTTP协议一样。需要找实现这个协议的库或者服务器来运行。

各种语言的Clients及Brokers/Servers:https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/software?id=software

参考链接

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