物联网通信协议——MQTT协议

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MQTT协议概念

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。

1、MQTT协议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

2、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。
对负载内容屏蔽的消息传输。
使用 TCP/IP 提供网络连接。

物联网(IoT) 设备要运作,就必须连接到互联网,设备才能相互协作,以及与后端服务协同工作。而互联网的基础网络协议是 TCP/IP,MQTT 协议是基于 TCP/IP 协议栈而构建的,因此它已经慢慢的已经成为了 IoT 通讯的标准。

3、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。
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4、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。

Publish/Subscribe(发布订阅)模式:

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。

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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
物联网通信协议——MQTT协议

MQTT协议特点

  • 简单易实现
  • 支持Qos(服务质量)
  • 报文小
  • MQTT协议构建于TCP/IP协议之上

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

MQTT基本概念

应用消息 Application Message

MQTT协议通过网络传输应用数据。应用消息通过MQTT传输时,它们有关联的服务质量(QoS)和主题(Topic)。

客户端Client

一个使用 MQTT 协议的设备、应用程序等,它总是建立到服务器的网络连接。

  1. 可以发布信息,其他客户端可以订阅该信息
  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
服务端 Server

MQTT 服务器以称为 Broker(消息代理),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

  1. 接受来自客户端的网络连接
  2. 接受客户端发布的应用信息
  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

(服务端不是数据的终点,它只是数据的中转站) (一般情况下,云平台==服务端)

订阅 Subscription

订阅包含一个主题过滤器(Topic Filter)和一个最大的服务质量(QoS)等级。
订阅与单个会话(Session)关联。
会话可以包含多于一个的订阅。
会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

主题名 Topic

Name附加在应用消息上的一个标签,服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

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。

  1. 要订阅的主题。一个主题可以有多个级别,级别之间用斜杠字符分隔。例如,/world 和 emq/emqtt/emqx 是有效的主题。
  2. 订阅者的Topic name支持通配符#和+ :

#支持一个主题内任意级别话题
+只匹配一个主题级别的通配符

  1. 客户端成功订阅某个主题后,代理会返回一条 SUBACK 消息,其中包含一个或多个 returnCode 参数
主题过滤器 Topic Filter

订阅中包含的一个表达式,用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符。

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。

控制报文 MQTT Control Packet

通过网络连接发送的信息数据包。MQTT规范定义了十四种不同类型的控制报文,其中一个(PUBLISH报文)用于传输应用消息。

清理会话 Clean Session

当MTT客户端接入MTT服务端时,选择是否继续之前的会话。
如果不清理会话,MTT服务端会在之前交互的基础上,继续交互如果清理会话,MTT服务端必须新建一个全新的会话。

负载(Payload)

消息订阅者所具体接收的内容

MQTT消息质量

MQTT消息质量有三个等级,QoS 0,QoS 1和 QoS 2

服务质量,标志表明此主题范围内的消息传送到客户端所需的一致程度。

值 0:不可靠,消息基本上仅传送一次,如果当时客户端不可用,则会丢失该消息。
值 1:消息应传送至少 1 次。
值 2:消息仅传送一次。

QoS 0:最多分发一次。
消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络,协议里没有定义应答和重试,消息要么只会到达服务端一次,要么根本没有到达。

QoS 1:至少分发一次。
服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认,如果通信链路或发送设备异常,或者指定时间内没有收到确认消息,发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。

QoS 2:只分发一次。
这是最高级别的消息传递,消息丢失和重复都是不可接受的,使用这个服务质量等级会有额外的开销。

eg.
目前流行的共享单车智能锁,智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器,发送单车的当前位置,如果服务器没收到也没关系,反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置,找到单车后需要进行解锁,这时候可以使用QoS level 1质量消息,手机App不断的发送解锁消息给单车锁,确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后,需要提交付款表单,可以使用QoS level 2质量消息,这样确保只传递一次数据,否则用户就会多付钱了。

MQTT的消息类型

MQTT的消息类型(Message Type)

固定报文头中的第一个字节包含连接标志(Connect Flags),连接标志用来区分MQTT的消息类型。

MQTT协议拥有14种不同的消息类型(如表)

可简单分为连接及终止发布和订阅QoS 2消息的机制以及各种确认ACK。至于每一个消息类型会携带什么内容。

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异步发布/订阅实现

发布/订阅模式解耦了发布消息的客户(发布者)与订阅消息的客户(订阅者)之间的关系,这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。
这个模式有以下好处:
发布者与订阅者只需要知道同一个消息代理即可
发布者和订阅者不需要直接交互
发布者和订阅者不需要同时在线

MQTT基本原理和实现

物联网通信协议——MQTT协议

MQTT 协议提供一对多的消息发布,可以解除应用程序耦合,信息冗余小

该协议需要客户端和服务端,
而协议中主要有三种身份:发布者(Publisher)、代理(Broker,服务器)、订阅者(Subscriber)。

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,而消息发布者可以同时是订阅者,实现了生产者与消费者的脱耦

使用 TCP/IP 提供网络连接,提供有序、无损、双向连接

MQTT 是一种连接协议,它指定了如何组织数据字节并通过 TCP/IP网络传输它们。设备联网,也需要连接到互联网中,在大万维的世界中,TCP 如同汽车,有轮子就能用来运输数据,MQTT就像是交通规则。在网络模型中,TCP是传输层协议,而 MQTT是在应用层,在 TCP 的上层,因此MQTT也是基于这个而构建的,提高了可靠性。

对负载内容屏蔽的消息传输

可以对消息订阅者所接受到的内容有所屏蔽。

具体有三种消息发布的服务质量

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。

至少一次,确保消息到达,但消息重复可能会发生。

只有一次,确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况,在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。

小型传输,开销小,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

整体上协议可拆分为:固定头部+可变头部+消息体,这就是为什么说它非常适合”在物联网领域,传感器与服务器的通信,信息的收集”。

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。

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