一文讀懂MQTT協(xié)議是什么
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[文章內容簡(jiǎn)介]：一文讀懂MQTT協(xié)議是什么
一 概述
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議)，是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通訊協(xié)議，該協(xié)議構建于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，為連接遠程設備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。作為一種低開(kāi)銷(xiāo)、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動(dòng)應用等方面有較廣泛的應用。
MQTT是一個(gè)基于客戶(hù)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：機器與機器(M2M)通信和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。其在，通過(guò)衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。
2014年發(fā)布的MQTT v3.1.1是當前MQTT協(xié)議的最新版本。除標準版外，還有一個(gè)簡(jiǎn)化版MQTT-SN，該協(xié)議主要針對嵌入式設備，這些設備一般工作于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )，如：ZigBee。
二 設計原則
由于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設計原則：
(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(hù)動(dòng)態(tài)創(chuàng )建主題，零運維成本；
(4)把傳輸量降到最低以提高傳輸效率；
(5)把低帶寬、高延遲、不穩定的網(wǎng)絡(luò )等因素考慮在內；
(6)支持連續的會(huì )話(huà)控制；
(7)理解客戶(hù)端計算能力可能很低；
(8)提供服務(wù)質(zhì)量管理；
(9)假設數據不可知，不強求傳輸數據的類(lèi)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 )的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協(xié)議，它具有以下主要的幾項特性：
(1)使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合。
這一點(diǎn)很類(lèi)似于XMPP，但是MQTT的信息冗余遠小于XMPP，因為XMPP使用XML格式文本來(lái)傳遞數據。
(2)對負載內容屏蔽的消息傳輸。
(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)行數據推送的，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(lài)底層TCP/IP網(wǎng)絡(luò )。會(huì )發(fā)生消息丟失或重復。這一級別可用于如下情況，環(huán)境傳感器數據，丟失一次讀記錄無(wú)所謂，因為不久后還會(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，但消息重復可能會(huì )發(fā)生。
“只有一次”，確保消息到達一次。在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別。在計費系統中，消息重復或丟失會(huì )導致不正確的結果。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(lèi)的APP的推送，確保用戶(hù)收到且只會(huì )收到一次。
(5)小型傳輸，開(kāi)銷(xiāo)很小(固定長(cháng)度的頭部是2字節)，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”，要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱，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(hù)端異常中斷的機制。
Last Will：即遺言機制，用于通知同一主題下的其他設備發(fā)送遺言的設備已經(jīng)斷開(kāi)了連接。
Testament：遺囑機制，功能類(lèi)似于Last Will。
四 MQTT協(xié)議原理
1 MQTT協(xié)議實(shí)現方式
實(shí)現MQTT協(xié)議需要客戶(hù)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(hù)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傳輸的消息分為：主題(Topic)和負載(payload)兩部分：
(1)Topic，可以理解為消息的類(lèi)型，訂閱者訂閱(Subscribe)后，就會(huì )收到該主題的消息內容(payload)；
(2)payload，可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。
2 網(wǎng)絡(luò )傳輸與應用消息
MQTT會(huì )構建底層網(wǎng)絡(luò )傳輸：它將建立客戶(hù)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、基于字節流的雙向傳輸。
當應用數據通過(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(hù)端
一個(gè)使用MQTT協(xié)議的應用程序或者設備，它總是建立到服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò )連接?？蛻?hù)端可以：
(1)發(fā)布其他客戶(hù)端可能會(huì )訂閱的信息；
(2)訂閱其它客戶(hù)端發(fā)布的消息；
(3)退訂或刪除應用程序的消息；
(4)斷開(kāi)與服務(wù)器連接。
4 MQTT服務(wù)器
MQTT服務(wù)器以稱(chēng)為“消息代理”(Broker)，可以是一個(gè)應用程序或一臺設備。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(hù)的網(wǎng)絡(luò )連接；
(2)接受客戶(hù)發(fā)布的應用信息；
(3)處理來(lái)自客戶(hù)端的訂閱和退訂請求；
(4)向訂閱的客戶(hù)轉發(fā)應用程序消息。
5 MQTT協(xié)議中的訂閱、主題、會(huì )話(huà)
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(huà)(Session)關(guān)聯(lián)。一個(gè)會(huì )話(huà)可以包含多個(gè)訂閱。每一個(gè)會(huì )話(huà)中的每個(gè)訂閱都有一個(gè)不同的主題篩選器。
二、會(huì )話(huà)(Session)
每個(gè)客戶(hù)端與服務(wù)器建立連接后就是一個(gè)會(huì )話(huà)，客戶(hù)端和服務(wù)器之間有狀態(tài)交互。會(huì )話(huà)存在于一個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間，也可能在客戶(hù)端和服務(wù)器之間跨越多個(gè)連續的網(wǎng)絡(luò )連接。
三、主題名(Topic Name)
連接到一個(gè)應用程序消息的標簽，該標簽與服務(wù)器的訂閱相匹配。服務(wù)器會(huì )將消息發(fā)送給訂閱所匹配標簽的每個(gè)客戶(hù)端。
四、主題篩選器(Topic Filter)
一個(gè)對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個(gè)主題。
五、負載(Payload)
消息訂閱者所具體接收的內容。
6 MQTT協(xié)議中的方法
MQTT協(xié)議中定義了一些方法(也被稱(chēng)為動(dòng)作)，來(lái)于表示對確定資源所進(jìn)行操作。這個(gè)資源可以代表預先存在的數據或動(dòng)態(tài)生成數據，這取決于服務(wù)器的實(shí)現。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(hù)端完成所做的工作，并與服務(wù)器斷開(kāi)TCP/IP會(huì )話(huà)。
(3)Subscribe。等待完成訂閱。
(4)UnSubscribe。等待服務(wù)器取消客戶(hù)端的一個(gè)或多個(gè)topics訂閱。
(5)Publish。MQTT客戶(hù)端發(fā)送消息請求，發(fā)送完成后返回應用程序線(xiàn)程。
五 MQTT協(xié)議數據包結構
在MQTT協(xié)議中，一個(gè)MQTT數據包由：固定頭(Fixed header)、可變頭(Variable header)、消息體(payload)三部分構成。MQTT數據包結構如下：
(1)固定頭(Fixed header)。存在于所有MQTT數據包中，表示數據包類(lèi)型及數據包的分組類(lèi)標識。
(2)可變頭(Variable header)。存在于部分MQTT數據包中，數據包類(lèi)型決定了可變頭是否存在及其具體內容。
(3)消息體(Payload)。存在于部分MQTT數據包中，表示客戶(hù)端收到的具體內容。
1 MQTT固定頭
固定頭存在于所有MQTT數據包中，其結構如下：
1.1 MQTT數據包類(lèi)型
位置：Byte 1中bits 7-4。
相于一個(gè)4位的無(wú)符號值，類(lèi)型、取值及描述如下：
1.2 標識位
位置：Byte 1中bits 3-0。
在不使用標識位的消息類(lèi)型中，標識位被作為保留位。如果收到無(wú)效的標志時(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，如果設置為1，則在下面的變長(cháng)中增加MessageId，并且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測消息重復發(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
Ø00：最多一次，即：<=1
Ø01：至少一次，即：>=1
Ø10：一次，即：=1
Ø11：預留
(3)RETAIN： 發(fā)布保留標識，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，就把這消息推送給它，如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。
1.3 剩余長(cháng)度(Remaining Length)
地址：Byte 2。
固定頭的第二字節用來(lái)保存變長(cháng)頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節是可以擴展，其保存機制，前7位用于保存長(cháng)度，后一部用做標識。當最后一位為1時(shí)，表示長(cháng)度不足，需要使用二個(gè)字節繼續保存。例如：計算出后面的大小為0
2 MQTT可變頭
MQTT數據包中包含一個(gè)可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間?？勺冾^的內容因數據包類(lèi)型而不同，較常的應用是作為包的標識：
很多類(lèi)型數據包中都包括一個(gè)2字節的數據包標識字段，這些類(lèi)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數據包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類(lèi)型的消息：
(1)CONNECT，消息體內容主要是：客戶(hù)端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶(hù)名和密碼。
(2)SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
(3)SUBACK，消息體內容是服務(wù)器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進(jìn)行確認和回復。
(4)UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。
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、負載情況和統計數據，可以查看某個(gè)客戶(hù)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(hù)端工具供用戶(hù)測試使用。
當 EMQ X 成功運行在你的本地計算機上且 EMQ X Dashboard 被默認啟用時(shí)，你可以訪(fǎng)問(wèn) http://localhost:18083 來(lái)查看你的 Dashboard，默認用戶(hù)名是 admin，密碼是 public。
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本文關(guān)鍵詞：MQTT協(xié)議
