MQTT协议-MQTT协议简介及协议原理
来源:互联网 发布:星际老男孩淘宝 编辑:程序博客网 时间:2024/06/04 23:40
MQTT协议-MQTT协议简介及协议原理
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。做为一种低开销、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。
1. MQTT
协议特点
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协议当前版本为,2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外,还有一个简化版MQTT-SN
,该协议主要针对嵌入式设备,这些设备一般工作于百TCP/IP网络,如:ZigBee。
MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议,提供有序、无损、双向连接。其特点包括:
- 使用的发布/订阅消息模式,它提供了一对多消息分发,以实现与应用程序的解耦。
- 对负载内容屏蔽的消息传输机制。
- 对传输消息有三种服务质量(QoS):
最多一次
,这一级别会发生消息丢失或重复,消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即:<=1至多一次
,这一级别会确保消息到达,但消息可能会重复。即:>=1只有一次
,确保消息只有一次到达。即:=1。在一些要求比较严格的计费系统中,可以使用此级别
- 数据传输和协议交换的最小化(协议头部只有2字节),以减少网络流量
- 通知机制,异常中断时通知传输双方
2. MQTT
协议原理
2.1 MQTT
协议实现方式
- 实现
MQTT
协议需要:客户端
和服务器端
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
2.2 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。
2.3 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
2.4 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。它是位于消息发布者
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
2.5 MQTT
协议中的订阅、主题、会话
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。
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。
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。
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。
负载(Payload)
消息订阅者所具体接收的内容
2.6 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。
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
3. MQTT数据结构
MQTT 数据包结构
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
3.1 MQTT固定头
固定头
存在于所有MQTT
数据包中,其结构如下:
MQTT
数据包类型不同类型MQTT
数据包的具体标识byte 2…剩余长度3.1.1
MQTT
数据包类型
位置:byte 1, bits 7-4。
相于一个4位的无符号值,类型如下:
3.1.2 标识位
位置:byte 1, bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中,标识位被做为保留位。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00
:最多一次,即:<=101
:至少一次,即:>=110
:一次,即:=111
: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。
位置:byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的,但不是直接保存的。这一字节是可以扩展,其保存机制,前7位用于保存长度,后一部用做标识。当最后一位为 1时,表示长度不足,需要使用二个字节继续保存。 例如:计算出后面的大小为0
3. 2MQTT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,较常的应用是做为包的标识:
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
3. 3Payload
消息体
Payload
消息体位MQTT
数据包的第三部分,CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体:
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。
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