一文讀懂MQTT協(xié)議是什么
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一 概述
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議)，是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。作為一種低開(kāi)銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。
MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量、簡(jiǎn)單、開(kāi)放和易于實(shí)現(xiàn)的，這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機(jī)器與機(jī)器(M2M)通信和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。其在，通過(guò)衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。
2014年發(fā)布的MQTT v3.1.1是當(dāng)前MQTT協(xié)議的最新版本。除標(biāo)準(zhǔn)版外，還有一個(gè)簡(jiǎn)化版MQTT-SN，該協(xié)議主要針對(duì)嵌入式設(shè)備，這些設(shè)備一般工作于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，如：ZigBee。
二 設(shè)計(jì)原則
由于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設(shè)計(jì)原則：
(1)精簡(jiǎn)，不添加可有可無(wú)的功能；
(2)發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)模式，方便消息在傳感器之間傳遞；
(3)允許用戶動(dòng)態(tài)創(chuàng)建主題，零運(yùn)維成本；
(4)把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；
(5)把低帶寬、高延遲、不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)等因素考慮在內(nèi)；
(6)支持連續(xù)的會(huì)話控制；
(7)理解客戶端計(jì)算能力可能很低；
(8)提供服務(wù)質(zhì)量管理；
(9)假設(shè)數(shù)據(jù)不可知，不強(qiáng)求傳輸數(shù)據(jù)的類型與格式，保持靈活性。
三 特性
MQTT協(xié)議工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計(jì)的協(xié)議，它具有以下主要的幾項(xiàng)特性：
(1)使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合。
這一點(diǎn)很類似于XMPP，但是MQTT的信息冗余遠(yuǎn)小于XMPP，因?yàn)閄MPP使用XML格式文本來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。
(2)對(duì)負(fù)載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸。
(3)使用TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接。
主流的MQTT是基于TCP連接進(jìn)行數(shù)據(jù)推送的，但是同樣有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。這兩種版本由于基于不同的連接方式，優(yōu)缺點(diǎn)自然也就各有不同了。
(4)有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：
“至多一次”，消息發(fā)布完全依賴底層TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。會(huì)發(fā)生消息丟失或重復(fù)。這一級(jí)別可用于如下情況，環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，丟失一次讀記錄無(wú)所謂，因?yàn)椴痪煤筮€會(huì)有第二次發(fā)送。這一種方式主要普通APP的推送，倘若你的智能設(shè)備在消息推送時(shí)未聯(lián)網(wǎng)，推送過(guò)去沒(méi)收到，再次聯(lián)網(wǎng)也就收不到了。
“至少一次”，確保消息到達(dá)，但消息重復(fù)可能會(huì)發(fā)生。
“只有一次”，確保消息到達(dá)一次。在一些要求比較嚴(yán)格的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，可以使用此級(jí)別。在計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，消息重復(fù)或丟失會(huì)導(dǎo)致不正確的結(jié)果。這種最高質(zhì)量的消息發(fā)布服務(wù)還可以用于即時(shí)通訊類的APP的推送，確保用戶收到且只會(huì)收到一次。
(5)小型傳輸，開(kāi)銷很小(固定長(zhǎng)度的頭部是2字節(jié))，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量。
這就是為什么在介紹里說(shuō)它非常適合“在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，傳感器與服務(wù)器的通信，信息的收集”，要知道嵌入式設(shè)備的運(yùn)算能力和帶寬都相對(duì)薄弱，使用這種協(xié)議來(lái)傳遞消息再適合不過(guò)了。
(6)使用Last Will和Testament特性通知有關(guān)各方客戶端異常中斷的機(jī)制。
Last Will：即遺言機(jī)制，用于通知同一主題下的其他設(shè)備發(fā)送遺言的設(shè)備已經(jīng)斷開(kāi)了連接。
Testament：遺囑機(jī)制，功能類似于Last Will。
四 MQTT協(xié)議原理
1 MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式
實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成，在通訊過(guò)程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者(Publish)、代理(Broker)(服務(wù)器)、訂閱者(Subscribe)。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時(shí)是訂閱者。
MQTT傳輸?shù)南⒎譃椋褐黝}(Topic)和負(fù)載(payload)兩部分：
(1)Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱(Subscribe)后，就會(huì)收到該主題的消息內(nèi)容(payload)；
(2)payload，可以理解為消息的內(nèi)容，是指訂閱者具體要使用的內(nèi)容。
2 網(wǎng)絡(luò)傳輸與應(yīng)用消息
MQTT會(huì)構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò)傳輸：它將建立客戶端到服務(wù)器的連接，提供兩者之間的一個(gè)有序的、無(wú)損的、基于字節(jié)流的雙向傳輸。
當(dāng)應(yīng)用數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時(shí)，MQTT會(huì)把與之相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和主題名(Topic)相關(guān)連。
3 MQTT客戶端
一個(gè)使用MQTT協(xié)議的應(yīng)用程序或者設(shè)備，它總是建立到服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接。客戶端可以：
(1)發(fā)布其他客戶端可能會(huì)訂閱的信息；
(2)訂閱其它客戶端發(fā)布的消息；
(3)退訂或刪除應(yīng)用程序的消息；
(4)斷開(kāi)與服務(wù)器連接。
4 MQTT服務(wù)器
MQTT服務(wù)器以稱為“消息代理”(Broker)，可以是一個(gè)應(yīng)用程序或一臺(tái)設(shè)備。它是位于消息發(fā)布者和訂閱者之間，它可以：
(1)接受來(lái)自客戶的網(wǎng)絡(luò)連接；
(2)接受客戶發(fā)布的應(yīng)用信息；
(3)處理來(lái)自客戶端的訂閱和退訂請(qǐng)求；
(4)向訂閱的客戶轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用程序消息。
5 MQTT協(xié)議中的訂閱、主題、會(huì)話
一、訂閱(Subscription)
訂閱包含主題篩選器(Topic Filter)和最大服務(wù)質(zhì)量(QoS)。訂閱會(huì)與一個(gè)會(huì)話(Session)關(guān)聯(lián)。一個(gè)會(huì)話可以包含多個(gè)訂閱。每一個(gè)會(huì)話中的每個(gè)訂閱都有一個(gè)不同的主題篩選器。
二、會(huì)話(Session)
每個(gè)客戶端與服務(wù)器建立連接后就是一個(gè)會(huì)話，客戶端和服務(wù)器之間有狀態(tài)交互。會(huì)話存在于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間，也可能在客戶端和服務(wù)器之間跨越多個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接。
三、主題名(Topic Name)
連接到一個(gè)應(yīng)用程序消息的標(biāo)簽，該標(biāo)簽與服務(wù)器的訂閱相匹配。服務(wù)器會(huì)將消息發(fā)送給訂閱所匹配標(biāo)簽的每個(gè)客戶端。
四、主題篩選器(Topic Filter)
一個(gè)對(duì)主題名通配符篩選器，在訂閱表達(dá)式中使用，表示訂閱所匹配到的多個(gè)主題。
五、負(fù)載(Payload)
消息訂閱者所具體接收的內(nèi)容。
6 MQTT協(xié)議中的方法
MQTT協(xié)議中定義了一些方法(也被稱為動(dòng)作)，來(lái)于表示對(duì)確定資源所進(jìn)行操作。這個(gè)資源可以代表預(yù)先存在的數(shù)據(jù)或動(dòng)態(tài)生成數(shù)據(jù)，這取決于服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，資源指服務(wù)器上的文件或輸出。主要方法有：
(1)Connect。等待與服務(wù)器建立連接。
(2)Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作，并與服務(wù)器斷開(kāi)TCP/IP會(huì)話。
(3)Subscribe。等待完成訂閱。
(4)UnSubscribe。等待服務(wù)器取消客戶端的一個(gè)或多個(gè)topics訂閱。
(5)Publish。MQTT客戶端發(fā)送消息請(qǐng)求，發(fā)送完成后返回應(yīng)用程序線程。
五 MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
在MQTT協(xié)議中，一個(gè)MQTT數(shù)據(jù)包由：固定頭(Fixed header)、可變頭(Variable header)、消息體(payload)三部分構(gòu)成。MQTT數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下：
(1)固定頭(Fixed header)。存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，表示數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組類標(biāo)識(shí)。
(2)可變頭(Variable header)。存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包類型決定了可變頭是否存在及其具體內(nèi)容。
(3)消息體(Payload)。存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，表示客戶端收到的具體內(nèi)容。
1 MQTT固定頭
固定頭存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，其結(jié)構(gòu)如下：
1.1 MQTT數(shù)據(jù)包類型
位置：Byte 1中bits 7-4。
相于一個(gè)4位的無(wú)符號(hào)值，類型、取值及描述如下：
1.2 標(biāo)識(shí)位
位置：Byte 1中bits 3-0。
在不使用標(biāo)識(shí)位的消息類型中，標(biāo)識(shí)位被作為保留位。如果收到無(wú)效的標(biāo)志時(shí)，接收端必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接：
(1)DUP：發(fā)布消息的副本。用來(lái)在保證消息的可靠傳輸，如果設(shè)置為1，則在下面的變長(zhǎng)中增加MessageId，并且需要回復(fù)確認(rèn)，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測(cè)消息重復(fù)發(fā)送。
(2)QoS：發(fā)布消息的服務(wù)質(zhì)量，即：保證消息傳遞的次數(shù)
Ø00：最多一次，即：<=1
Ø01：至少一次，即：>=1
Ø10：一次，即：=1
Ø11：預(yù)留
(3)RETAIN： 發(fā)布保留標(biāo)識(shí)，表示服務(wù)器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現(xiàn)，就把這消息推送給它，如果設(shè)有那么推送至當(dāng)前訂閱者后釋放。
1.3 剩余長(zhǎng)度(Remaining Length)
地址：Byte 2。
固定頭的第二字節(jié)用來(lái)保存變長(zhǎng)頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節(jié)是可以擴(kuò)展，其保存機(jī)制，前7位用于保存長(zhǎng)度，后一部用做標(biāo)識(shí)。當(dāng)最后一位為1時(shí)，表示長(zhǎng)度不足，需要使用二個(gè)字節(jié)繼續(xù)保存。例如：計(jì)算出后面的大小為0
2 MQTT可變頭
MQTT數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)可變頭，它駐位于固定的頭和負(fù)載之間?？勺冾^的內(nèi)容因數(shù)據(jù)包類型而不同，較常的應(yīng)用是作為包的標(biāo)識(shí)：
很多類型數(shù)據(jù)包中都包括一個(gè)2字節(jié)的數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)字段，這些類型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。
3 Payload消息體
Payload消息體位MQTT數(shù)據(jù)包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息：
(1)CONNECT，消息體內(nèi)容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
(2)SUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
(3)SUBACK，消息體內(nèi)容是服務(wù)器對(duì)于SUBSCRIBE所申請(qǐng)的主題及QoS進(jìn)行確認(rèn)和回復(fù)。
(4)UNSUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是要訂閱的主題。
六 emqx使用
1 安裝啟動(dòng)
進(jìn)入到emqx解壓后目錄，進(jìn)入bin目錄，執(zhí)行其下的命令腳本：
$ ./bin/emqx start
emqx 4.0.0 is started successfully!
$ ./bin/emqx_ctl status
Node 'emqx@127.0.0.1' is started
emqx v4.0.0 is running
1
2
3
4
5
停止 EMQ X Broker：
$ ./bin/emqx stop
ok
1
2
卸載 EMQ X Broker，直接刪除 EMQ X 目錄即可。
2 Emqx Dashboard插件
Emqx自帶dashboard插件，通過(guò) Dashboard，你可以查看服務(wù)器基本信息、負(fù)載情況和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以查看某個(gè)客戶端的連接狀態(tài)等信息甚至斷開(kāi)其連接，也可以動(dòng)態(tài)加載和卸載指定插件。除此之外，EMQ X Dashboard 還提供了規(guī)則引擎的可視化操作界面，同時(shí)集成了一個(gè)簡(jiǎn)易的 MQTT 客戶端工具供用戶測(cè)試使用。
當(dāng) EMQ X 成功運(yùn)行在你的本地計(jì)算機(jī)上且 EMQ X Dashboard 被默認(rèn)啟用時(shí)，你可以訪問(wèn) http://localhost:18083 來(lái)查看你的 Dashboard，默認(rèn)用戶名是 admin，密碼是 public。
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本文關(guān)鍵詞：MQTT協(xié)議
