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MQTT协议

admin

11月 28, 2021

MQTT协议介绍

物联网

物联网( IoT ,Internet of things )即“万物相连的互联网”,是互联网基础上的延伸和扩展的网络,将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络,实现在任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。

随着 5G 时代的来临,万物物联的伟大构想正在成为现实。联网的物联网设备在 2018 年已经达到了 70 亿, 在未来两年,仅智能水电气表就将超过10亿。

海量的设备接入和设备管理对网络带宽、通信协议以及平台服务架构都带来了很大挑战。对于物联网协议来 说,必须针对性地解决物联网设备通信的几个关键问题:其网络环境复杂而不可靠、其内存和闪存容量小、其处理 器能力有限。

海量的设备接入和设备管理对网络带宽、通信协议以及平台服务架构都带来了很大挑战。对于物联网协议来 说,必须针对性地解决物联网设备通信的几个关键问题:其网络环境复杂而不可靠、其内存和闪存容量小、其处理器能力有限。

MQTT 是基于 Publish/Subscribe 模式的物联网通信协议,凭借简单易实现、支持 QoS、报文小等特点,占据了物联网协议的半壁江山:

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mqtt官网:http://mqtt.org/

mqtt中文网:http://mqtt.p2hp.com/

MQTT简介

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。

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MQTT协议设计规范

(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,解耦Client/Server模式,带来的好处在 于不必预先知道对方的存在(ip/port),不必同时运行;

(3)允许用户动态创建主题(不需要预先创建主题),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)支持连续的会话保持和控制(心跳);

(7)理解客户端计算能力可能很低;

(8)提供服务质量( quality of service level:QoS)管理;

(9)不强求传输数据的类型与格式,保持灵活性(指的是应用层业务数据)。

MQTT协议主要特性

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:

(1)开放消息协议,简单易实现。

(2)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。

(3)对负载(协议携带的应用数据)内容屏蔽的消息传输。

(4)基于TCP/IP网络连接,提供有序,无损,双向连接。 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。

(5)消息服务质量(QoS)支持,可靠传输保证;有三种消息发布服务质量:

QoS0:”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。

QoS1:”至少一次”,确保消息到达,但消息重复可能会发生。

QoS2:”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。

(6)1字节固定报头,2字节心跳报文,最小化传输开销和协议交换,有效减少网络流量。

(7)在线状态感知: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协议应用领域

物联网M2M通信,物联网大数据采集

Android消息推送,WEB消息推送

移动即时消息,例如Facebook Messenger

智能硬件、智能家具、智能电器

车联网通信,电动车站桩采集

智慧城市、远程医疗、远程教育

电力、石油与能源等行业市场

MQTT协议原理

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)(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。

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。

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: (1)发布其他客户端可能会订阅的信息;

(2)订阅其它客户端发布的消息;

(3)退订或删除应用程序的消息;

(4)断开与服务器连接。

MQTT服务器端

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。它是位于消息发布者和订阅者 之间,它可以:

(1)接受来自客户的网络连接;

(2)接受客户发布的应用信息;

(3)处理来自客户端的订阅和退订请求;

(4)向订阅的客户转发应用程序消息。

主题

主题(Topic)以 ‘/’ 为分隔符区分不同的层级。包含通配符 ‘+’ 或 ‘#’ 的主题又称为 主题过滤器(Topic Filters); 不 含通配符的称为主题名(Topic Names) 例如:

chat/room/1
sensor/10/temperature
sensor/+/temperature
$SYS/broker/metrics/packets/received
$SYS/broker/metrics/#
'+': 表示通配一个层级,例如a/+,匹配a/x, a/y
'#': 表示通配多个层级,例如a/#,匹配a/x, a/b/c/d
注: ‘+’ 通配一个层级,’#’ 通配多个层级(必须在末尾)。

发布者(Publisher) 只能向 ‘主题名’ 发布消息,订阅者(Subscriber) 则可以通过订阅 ‘主题过滤器’ 来通配多个主题名称。

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:

(1)CONNECT:客户端连接到服务器
(2)CONNACK:连接确认
(3)PUBLISH:发布消息
(4)PUBACK:发布确认
(5)PUBREC:发布的消息已接收
(6)PUBREL:发布的消息已释放
(7)PUBCOMP:发布完成
(8)SUBSCRIBE:订阅请求
(9)SUBACK:订阅确认
(10)UNSUBSCRIBE:取消订阅
(11)UNSUBACK:取消订阅确认
(12)PINGREQ:客户端发送心跳
(13)PINGRESP:服务端心跳响应
(14)DISCONNECT:断开连接
(15)AUTH:认证

MQTT协议数据包结构

官方文档中对于MQTT协议包的结构有着具体的说明:http://mqtt.org/documentation

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。MQTT数据包结构如下:

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(1)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, 如连接,发布,订阅,心跳等。其中固定头是必须的,所有类型的MQTT协议中,都必须包含固定头。

(2)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。可变头部不是可选的意思,而是指这部分在有些协议类型中存在,在有些协议中不存在。

(3)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。 与可变头一样, 在有些协议类型中有消息内容,有些协议类型中没有消息内容。

固定头(Fixed header)

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固定头存在于所有MQTT数据包中, 固定头包含两部分内容,首字节(字节1)和剩余消息报文长度(从第二个字 节开始,长度为1-4字节),剩余长度是当前包中剩余内容长度的字节数,包括变量头和有效负载中的数据)。剩余长度不包含用来编码剩余长度的字节。

剩余长度使用了一种可变长度的结构来编码,这种结构使用单一字节表示0-127的值。大于127的值如下处理。每个字节的低7位用来编码数据,最高位用来表示是否还有后续字节。因此每个字节可以编码128个值,再加上一个标识位。剩余长度最多可以用四个字节来表示。

数据包类型

位置:第一个字节(Byte 1) 中的7-4个bit位(Bit[7-4]),表示4位无符号值

通过第一个字节的高4位确定消息报文的类型,4个bit位能确定16种类型,其中0000和1111是保留字段。 MQTT消息报文类型如下

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标志位

位置:第一个字节中的0-3个bit位(Bit[3-0])。意思是字节位Bit[3-0]用作报文的标识。

首字节的低4位(bit3~bit0)用来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,如下图:

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(1):其中Bit[3]为DUP字段,如果该值为1,表明这个数据包是一条重复的消息;否则该数据包就是第一次发布的消息。

(2):Bit[2-1]为Qos字段:

如果Bit 1和Bit 2都为0,表示QoS 0:至多一次;

如果Bit 1为1,表示QoS 1:至少一次;

如果Bit 2为1,表示QoS 2:只有一次;

如果同时将Bit 1和Bit 2都设置成1,那么客户端或服务器认为这是一条非法的消息,会关闭当前连接。

MQTT消息QoS

MQTT发布消息服务质量保证(QoS)不是端到端的,是客户端与服务器之间的。订阅者收到MQTT消息的QoS级别,最终取决于发布消息的QoS和主题订阅的QoS。

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Qos0消息发布订阅:

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Qos1消息发布订阅:

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Qos2消息发布订阅:

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可变头(Variable Header)

可变头的意思是可变化的消息头部。有些报文类型包含可变头部有些报文则不包含。可变头部在固定头部和消息内容之间,其内容根据报文类型不同而不同。

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**协议名 **

协议名是表示协议名MQTT的UTF-8编码的字符串。MQTT规范的后续版本不会改变这个字符串的偏移和长度。

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​ 支持多种协议的服务端使用协议名字段判断数据是否为MQTT报文。协议名必须是UTF-8字符串“MQTT”。如果服务端不愿意接受CONNECT但希望表明其MQTT服务端身份,可以发送包含原因码为0x84(不支持的协议版本)的CONNACK报文,然后必须关闭网络连接.

协议版本

位无符号值表示客户端的版本等级。3.1.1版本的协议等级是4,MQTT v5.0的协议版本字段为5(0x05)

MQTT会话(Clean Session)

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时,可以通过’Clean Session’标志设置会话。

‘Clean Session’设置为0,表示创建一个持久会话,在客户端断开连接时,会话仍然保持并保存离线消 息,直到会话超时注销。

‘Clean Session’设置为1,表示创建一个新的临时会话,在客户端断开时,会话自动销毁。

Will Flag/Will Qos/Will Retain

如果Will Flag被设置为1,这意味着,如果连接请求被接受,服务端必须存储一个Will Message,并和网 络连接关联起来。之后在网络连接断开的时候必须发布Will Message,除非服务端收到DISCONNECT包删掉 了Will Message

Will Message会在某些情况下发布,包括但不限于:

  • 服务端发现I/O错误或网络失败。

  • 客户端在Keep Alive时间内通信失败。

  • 客户端没有发送DISCONNECT包就关闭了网络连接。

  • 服务端因协议错误关闭了网络连接。

如果Will Flag被设置为1,连接标识中的Will QoS和Will Retain字段将会被服务端用到

Will QoS这两个bit表示发布Will Message时使用QoS的等级

Will Retain这个bit表示Will Message在发布之后是否需要保留。

如果Will Flag设置为0,那么Will Retain必须是0

如果Will Flag设置为1:

  • 如果Will Retain设置为0,那么服务端必须发布Will Message,不必保存
  • 如果Will Retain设置为1,那么服务端必须发布Will Message,并保存

User Name Flag

如果User Name Flag设置为0,那么用户名不必出现在载荷中

如果User Name Flag设置为1,那么用户名必须出现在载荷中

Password Flag

如果Password Flag设置为0,那么密码不必出现在载荷中

如果Password Flag设置为1,那么密码必须出现在载荷中

如果User Name Flag设置为0,那么Password Flag必须设置为0

MQTT连接保活心跳

PINGREQ包从客户端发往服务端,可以用来:

  • 1:在没有其他控制包从客户端发送给服务端的时候,告知服务端客户端的存活状态。
  • 2:请求服务端响应,来确认服务端是否存活。
  • 3:确认网络连接的有效性。 PINGRESP包从服务端发送给客户端来响应PINGREQ包。它代表服务端是存活的。

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时,通过KeepAlive参数设置保活周期。

Keep Alive是以秒为单位的时间间隔。用2字节表示,它指的是客户端从发送完成一个控制包到开始发送 下一个的最大时间间隔。客户端有责任确保两个控制包发送的间隔不能超过Keep Alive的值。如果没有其他 控制包可发,客户端必须发送PINGREQ包

客户端可以在任何时间发送PINGREQ包,不用关心Keep Alive的值,用PINGRESP来判断与服务端的网络连接是否正常。

如果Keep Alive的值非0,而且服务端在一个半Keep Alive的周期内没有收到客户端的控制包,服务端必须作为网络故障断开网络连接

如果客户端在发送了PINGREQ后,在一个合理的时间都没有收到PINGRESP包,客户端应该关闭和服务端的网络连接。

Keep Alive的值为0,就关闭了维持的机制。这意味着,在这种情况下,服务端不会断开静默的客户端。

MQTT遗愿消息(Last Will)

MQTT客户端向服务器端CONNECT请求时,可以设置是否发送遗愿消息(Will Message)标志,和遗愿消息主题(Topic)与内容(Payload)。

MQTT客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送DISCONNECT消息),MQTT消息服务器会发布遗愿消息。

消息体(Payload)

有些报文类型是包含Payload的,Payload意思是消息载体的意思

如PUBLISH的Payload就是指消息内容(应用程序发布的消息内容)。而CONNECT的Payload则包含Client Identifier,Will Topic,Will Message,Username,Password等信息。

包含payload的报文类型如下:

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