MQTT–入門

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一、簡述

 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,訊息佇列遙測傳輸協議),是一種基於釋出/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通訊協議,該協議構建於TCP/IP協議上,由IBM在1999年釋出。MQTT最大優點在於,可以以極少的程式碼和有限的頻寬,為連線遠端裝置提供實時可靠的訊息服務。作為一種低開銷、低頻寬佔用的即時通訊協議,使其在物聯網、小型裝置、移動應用等方面有較廣泛的應用。

 MQTT是一個基於客戶端-伺服器的訊息釋出/訂閱傳輸協議。MQTT協議是輕量、簡單、開放和易於實現的,這些特點使它適用範圍非常廣泛。在很多情況下,包括受限的環境中,如:機器與機器(M2M)通訊和物聯網(IoT)。其在,通過衛星鏈路通訊感測器、偶爾撥號的醫療裝置、智慧家居、及一些小型化裝置中已廣泛使用。

二、設計規範

由於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,不新增可有可無的功能;

(2)釋出/訂閱(Pub/Sub)模式,方便訊息在感測器之間傳遞;

(3)允許使用者動態建立主題,零運維成本;

(4)把傳輸量降到最低以提高傳輸效率;

(5)把低頻寬、高延遲、不穩定的網路等因素考慮在內;

(6)支援連續的會話控制;

(7)理解客戶端計算能力可能很低;

(8)提供服務質量管理;

(9)假設資料不可知,不強求傳輸資料的型別與格式,保持靈活性。

三、主要特性

MQTT協議工作在低頻寬、不可靠的網路的遠端感測器和控制裝置通訊而設計的協議,它具有以下主要的幾項特性:

(1)使用釋出/訂閱訊息模式,提供一對多的訊息釋出,解除應用程式耦合。

這一點很類似於XMPP,但是MQTT的資訊冗餘遠小於XMPP,,因為XMPP使用XML格式文字來傳遞資料。

(2)對負載內容遮蔽的訊息傳輸。

(3)使用TCP/IP提供網路連線。

主流的MQTT是基於TCP連線進行資料推送的,但是同樣有基於UDP的版本,叫做MQTT-SN。這兩種版本由於基於不同的連線方式,優缺點自然也就各有不同了。

(4)有三種訊息釋出服務質量:

“至多一次”,訊息釋出完全依賴底層TCP/IP網路。會發生訊息丟失或重複。這一級別可用於如下情況,環境感測器資料,丟失一次讀記錄無所謂,因為不久後還會有第二次傳送。這一種方式主要普通APP的推送,倘若你的智慧裝置在訊息推送時未聯網,推送過去沒收到,再次聯網也就收不到了。

“至少一次”,確保訊息到達,但訊息重複可能會發生。

“只有一次”,確保訊息到達一次。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,訊息重複或丟失會導致不正確的結果。這種最高質量的訊息釋出服務還可以用於即時通訊類的APP的推送,確保使用者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位元組),協議交換最小化,以降低網路流量。

這就是為什麼在介紹裡說它非常適合“在物聯網領域,感測器與伺服器的通訊,資訊的收集”,要知道嵌入式裝置的運算能力和頻寬都相對薄弱,使用這種協議來傳遞訊息再適合不過了。

(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,用於通知同一主題下的其他裝置傳送遺言的裝置已經斷開了連線。

Testament:遺囑機制,功能類似於Last Will。

四、MQTT協議原理

4.1 MQTT協議實現方式

實現MQTT協議需要客戶端和伺服器端通訊完成,在通訊過程中,MQTT協議中有三種身份:釋出者(Publish)、代理(Broker)(伺服器)、訂閱者(Subscribe)。其中,訊息的釋出者和訂閱者都是客戶端,訊息代理是伺服器,訊息釋出者可以同時是訂閱者。

MQTT傳輸的訊息分為:主題(Topic)和負載(payload)兩部分:

(1)Topic,可以理解為訊息的型別,訂閱者訂閱(Subscribe)後,就會收到該主題的訊息內容(payload);

(2)payload,可以理解為訊息的內容,是指訂閱者具體要使用的內容。

4.2 網路傳輸與應用訊息

MQTT會構建底層網路傳輸:它將建立客戶端到伺服器的連線,提供兩者之間的一個有序的、無損的、基於位元組流的雙向傳輸。

當應用資料通過MQTT網路傳送時,MQTT會把與之相關的服務質量(QoS)和主題名(Topic)相關連。

4.3MQTT客戶端

一個使用MQTT協議的應用程式或者裝置,它總是建立到伺服器的網路連線。客戶端可以:

(1)釋出其他客戶端可能會訂閱的資訊;

(2)訂閱其它客戶端釋出的訊息;

(3)退訂或刪除應用程式的訊息;

(4)斷開與伺服器連線。

4.4 MQTT伺服器

MQTT伺服器以稱為“訊息代理”(Broker),可以是一個應用程式或一臺裝置。它是位於訊息釋出者和訂閱者之間,它可以:

(1)接受來自客戶的網路連線;

(2)接受客戶釋出的應用資訊;

(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式訊息。

4.5 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)

每個客戶端與伺服器建立連線後就是一個會話,客戶端和伺服器之間有狀態互動。會話存在於一個網路之間,也可能在客戶端和伺服器之間跨越多個連續的網路連線。

三、主題名(Topic Name)

連線到一個應用程式訊息的標籤,該標籤與伺服器的訂閱相匹配。伺服器會將訊息傳送給訂閱所匹配標籤的每個客戶端。

四、主題篩選器(Topic Filter)

一個對主題名萬用字元篩選器,在訂閱表示式中使用,表示訂閱所匹配到的多個主題。

五、負載(Payload)

訊息訂閱者所具體接收的內容。

4.6 MQTT協議中的方法

MQTT協議中定義了一些方法(也被稱為動作),來於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資料或動態生成資料,這取決於伺服器的實現。通常來說,資源指伺服器上的檔案或輸出。主要方法有:

(1)Connect。等待與伺服器建立連線。

(2)Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作,並與伺服器斷開TCP/IP會話。

(3)Subscribe。等待完成訂閱。

(4)UnSubscribe。等待伺服器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。

(5)Publish。MQTT客戶端傳送訊息請求,傳送完成後返回應用程式執行緒。

五、MQTT協議資料包結構

在MQTT協議中,一個MQTT資料包由:固定頭(Fixed header)、可變頭(Variable header)、訊息體(payload)三部分構成。MQTT資料包結構如下:

(1)固定頭(Fixed header)。存在於所有MQTT資料包中,表示資料包型別及資料包的分組類標識。

(2)可變頭(Variable header)。存在於部分MQTT資料包中,資料包型別決定了可變頭是否存在及其具體內容。

(3)訊息體(Payload)。存在於部分MQTT資料包中,表示客戶端收到的具體內容。

5.1 MQTT固定頭

固定頭存在於所有MQTT資料包中,其結構如下:

5.1.1 MQTT資料包型別

位置:Byte 1中bits 7-4。

相於一個4位的無符號值,型別、取值及描述如下:

5.1.2 標識位

位置:Byte 1中bits 3-0。

在不使用標識位的訊息型別中,標識位被作為保留位。如果收到無效的標誌時,接收端必須關閉網路連線:

(1)DUP:釋出訊息的副本。用來在保證訊息的可靠傳輸,如果設定為1,則在下面的變長中增加MessageId,並且需要回復確認,以保證訊息傳輸完成,但不能用於檢測訊息重複傳送。

(2)QoS:釋出訊息的服務質量,即:保證訊息傳遞的次數

         Ø00:最多一次,即:<=1
Ø01:至少一次,即:>=1
Ø10:一次,即:=1
Ø11:預留

(3)RETAIN: 釋出保留標識,表示伺服器要保留這次推送的資訊,如果有新的訂閱者出現,就把這訊息推送給它,如果設有那麼推送至當前訂閱者後釋放。
5.1.3 剩餘長度(Remaining Length)

地址:Byte 2。

固定頭的第二位元組用來儲存變長頭部和訊息體的總大小的,但不是直接儲存的。這一位元組是可以擴充套件,其儲存機制,前7位用於儲存長度,後一部用做標識。當最後一位為1時,表示長度不足,需要使用二個位元組繼續儲存。例如:計算出後面的大小為0

5.2 MQTT可變頭

MQTT資料包中包含一個可變頭,它駐位於固定的頭和負載之間。可變頭的內容因資料包型別而不同,較常的應用是作為包的標識:

很多型別資料包中都包括一個2位元組的資料包標識欄位,這些型別的包有:PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

5.3 Payload訊息體

Payload訊息體位MQTT資料包的第三部分,包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種型別的訊息:

(1)CONNECT,訊息體內容主要是:客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及使用者名稱和密碼。

(2)SUBSCRIBE,訊息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。

(3)SUBACK,訊息體內容是伺服器對於SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回覆。

(4)UNSUBSCRIBE,訊息體內容是要訂閱的主題。