MQTT协议详解(完整版)

2024-07-12 02:25| 来源: 网络整理| 查看: 265

1 MQTT协议概念: 1.1 MQTT特点: 基于Publish/Subscribe(发布订阅)模式的物联网通信协议简单易实现支持Qos(服务质量)报文精简基于TCP/IP 发布订阅模式:

在这里插入图片描述客户端只需要订阅这个主题，当有其他客户端向这个服务端发布消息时，这个客户端就可以收到这个消息

请求响应模式

请求响应模式: 客户端向服务端发送请求，服务端收到请求后，向客户端返回响应在这里插入图片描述

1.2 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，为远程连接设备提过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(loT)。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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1.3 MQTT协议设计规范精简，不添加可有可无的功能；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), 不必同时运行允许用户动态创建主题(不需要预先创建主题)，零运维成本；把传输量降到最低以提高传输效率把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；支持连续的会话保持和控制(心跳协议)理解客户端计算能力可能很低提供服务质量( quality of service level: QoS)管理:不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性(指的使应用层业务数据) 主题的概念

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1.4 MQTT协议主要特性开放消息协议，简单易实现。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。对负载（协议携带的应用数据）内容屏蔽的消息传输。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。由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。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: QoSO:“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—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。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。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。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。 1.5 MQTT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 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。在这里插入图片描述 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)相关联

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他客户端发布的消息退定或删除应用程序的消息断开与服务器的连接 2.4 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:

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 发布/订阅、主题、会话

MQTT是基于发布(Publish)/订阅(Subscribe)模式来进行通信及数据交换的，与HTTP的请求(Request)/应答(Response)的模式有本质的不同订阅者(Subscriber)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下的消息转发给所有订阅者主题(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); 不含通配符的成为主题名(Topic Names) 例如:

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

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。

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。主要方法有:

CONNECT: 客户端连接到服务器CONNACK: 连接确认PUBLISH: 发布消息PUBACK: 发布消息确认PUBREC: 发布的消息已接收PUBREL: 发布的消息已释放PUBCOMP: 发布完成SUBSCRIBE: 订阅请求SUBACK: 订阅确认UNSUBSCRIBE: 取消订阅UNSUBACK: 取消订阅确认PINGREQ: 客户端发送心跳PINGRESP: 服务端心跳响应DISCONNECT: 断开连接AUTH: 认证 3 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: 在这里插入图片描述

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。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。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。 3.1 固定头(Fixed Header)

在这里插入图片描述固定头存在于所有MQTT数据包中固定头包含两部分内容：首字节(字节1)、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被(Bit[7-4]),标识4位无符号值在这里插入图片描述标志位位置: 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:

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，是客户端与服务端之间的。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 QoS: 服务质量是指客户端和服务端之间的服务质量在这里插入图片描述

QoS消息订阅(至多一次): 在这里插入图片描述

QoS1消息发布订阅(至少一次) 在这里插入图片描述

QoS2消息发布订阅(只有一次) 在这里插入图片描述

3.2 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在这里插入图片描述协议版本位无符号值表示客户端的版本等级。3.1.1版本 MQTT会话 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 Will Flag : 遗言标志位 Will QoS: 遗言的消息质量 Will Retain: 遗言的保持状态 Keep Alive timer(心跳时长) 心跳协议: 在这里插入图片描述 Keep Alive timer 最大时间间隔

3.3 消息体(Payload)

有些报文类型是包含Payload的,Payload的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: 在这里插入图片描述 Payload是消息内容，也只在某些报文类型中出现，其内容和格式也根据报文类型不同而不同具体不同报文类型所包含的不同Payload，请查看官方文档

MQTT官方文档

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