物联网MQTT协议-创新互联

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物联网百科

物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

设备与网络的连接必须要解决的问题：网络环境复杂的消息不可靠、设备内存和闪存容量小、处理器能力有限。mqtt 就是针对这些问题给出的解决方案

MQTT百科

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是一个Client（订阅）与Server(发布) 之间的消息传输协议。旨在为低带宽和不稳定的网络环境中的物联网设备提供可靠的网络服务。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，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. 把低宽带、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（指应用层业务数据）

MQTT协议的主要特性

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. 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。
• 2. 对负载内容屏蔽的消息传输。
• 3. 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。
• 4. 有三种消息发布服务质量：
  • QoS 0："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。
  • QoS 1："至少一次"，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
  • QoS 2："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。
• 5. 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。
• 6. 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协议原理 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）（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。

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。

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

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。

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）

消息订阅者具体接收的内容。

MQTT是基于发布（Publish）/订阅（Subscribe）模式来进行通信以及数据交换的，与HTTP的请求（Request）/应答（Response）模式有本质的不同。

订阅者（Subscribe）会向消息服务器（Broker）订阅一个主题（Topic），成功订阅后，消息服务器会将该主题中的消息转发给所有的订阅者。

主题（Topic）以 '/' 斜杠为分隔符区分不同的层级。包含通配符 '+'  加号 或 '#' 井号的主题又称为主题过滤器（Topic Filter），不包含通配符的称为主题名（Topic Name）

+：加号，通配一个层级的任意字符，

a/+，匹配 a/x，a/y 等

#：井号，通配一个或多个层级的任意字符，#通配符要出现在主题名末尾

a/b/#，匹配 a/b/c/d，a/b/x 等

注意：发布的时候主题名上不能带通配符，必须指定一个具体的主题发布，订阅的时候可以使用通配符，表示符合通配符的主题我都订阅。

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：客户端连接上服务器的确认消息。
• 3. Publish：客户端发布消息到服务器。服务器发布给订阅者。
• 4. Puback：发布消息的确认。
• 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：客户端向服务端发起订阅请求。
• 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

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：

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具体内容。可变头不是可选的意思，而是指这部分在有些协议中存在，有些协议中不存在。

3. 报文体（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，在有些协议中存在，有些协议中不存在。

• 固定头（Fixed header）

固定头存在所有MQTT数据包中，固定头包含两个部分的内容，首字节和剩余报文长度，剩余长度是可变头和报文体的数据长度。剩余长度不包含用来编码剩余长度字段本身的字节。

剩余长度使用了一种可变长度的结构类编码，这种结构使用单一字节表示0~127的值，大于127的值每个字节的低7位用来编码数据，最高位用来表示是否还有后续字节（1表示还有，0表示没有了），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。

MQTT数据包类型：Byte1 的 7~4 位的数据代表的含义

报文类型	字段值（十进制）	数据方向	描述	7~4Bit的值
保留	0	禁用	保留	0000
CONNECT	1	Client >Server	客户端连接到服务器	0001
CONNACK	2	Server >Client	连接确认	0010
PUBLISH	3	Client >Server	发布消息	0011
PUBACK	4	Client >Server	发布确认（QoS1）	0100
PUBREC	5	Client >Server	消息已接收（QoS2第一阶段）	0101
PUBREL	6	Client >Server	消息释放（Qos2第二阶段）	0110
PUBCOMP	7	Client >Server	发布结束（QoS2第三阶段）	0111
SUBSCRIBE	8	Client >Server	客户端订阅请求	1000
SUBACK	9	Server >Client	服务端订阅确认	1001
UNSUBACRIBE	10	Client >Server	客户端取消订阅	1010
UNSUBACK	11	Server >Client	服务端取消订阅确认	1011
PINGREQ	12	Client >Server	客户端发送心跳	1100
PINGRESP	13	Server >Client	服务端回复心跳	1101
DISCONNECT	14	Client >Server	客户端断开连接请求	1110
AUTH（V5.0使用）	15	Client >Server	认证数据交换	1111

MQTT数据包标志位：Byte1 的 3~0 位的数据代表的含义

报文类型	固定头标记	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0
CONNECT	保留	0	0	0	0
CONNACK	保留	0	0	0	0
PUBLISH	Used in MQTT3.1.1版本	DUP	QoS	QoS	RETAIN
PUBACK	保留	0	0	0	0
PUBREC	保留	0	0	0	0
PUBREL	保留	0	0	0	0
PUBCOMP	保留	0	0	0	0
SUBSCRIBE	保留	0	0	1	0
SUBACK	保留	0	0	0	0
UNSUBACRIBE	保留	0	0	1	0
UNSUBACK	保留	0	0	0	0
PINGREQ	保留	0	0	0	0
PINGRESP	保留	0	0	0	0
DISCONNECT	保留	0	0	0	0

1. 其中 Bit3 为 DUP 字段，如果该值为1，表示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 和 Bit 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，客户端或者服务端会认为这是一条非法的消息，会关闭当前连接。

注意：目前 Bit 3~0 只在 PUBLISH 协议中使用有效，并且版本需要是 MQTT3.1.1，对其他MQTT协议版本内容可能不同，所有固定头标记为“保留”的协议类型，Bit 3~0 必须保持与表中一致。如SUBSCRIBE协议中Bit1的值必须为1。不然就是非法消息，会强行关闭当前连接。

MQTT消息 QoS

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