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物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入篇-應用層MQTT(6)

躍曰

2024-06-17

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13 分鐘

前幾篇文章講述的是TCP/IP 模型中的網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層部分協(xié)議，這里到了第四層應用層的 MQTT協(xié)議。都是物聯(lián)網(wǎng)常用的應用層協(xié)議。CoAP 協(xié)議 OPC 放到之后寫。

MQTT 協(xié)議

消息隊列遙測傳輸，Message Queuing Telemetry Transport，MQTT 是ISO 標準下基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）范式的消息協(xié)議。它工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠程設備以及網(wǎng)絡狀況糟糕的情況下而設計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。

MQTT最大優(yōu)點在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。為什么，因為協(xié)議簡單，開銷就?。话l(fā)布訂閱模式，解耦了發(fā)布者和訂閱者，他們不需要直接傳遞消息，有個中介幫忙，同樣的數(shù)據(jù)，我就上傳一份，再傳出去一份，就想導游只說一遍，大家都帶著藍牙耳機，都能聽到；持久會話，不會經(jīng)常斷開重連，這都耗電。

作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

MQTT 的消息發(fā)布和訂閱模式，像微博一樣，有一個消息發(fā)布者，有一批訂閱著，有個服務器。消息發(fā)布者把消息發(fā)送到服務器，訂閱者訂閱消息，就能收到消息。

HTTP 基于請求響應，像微信聊天，我和你加好友，建立連接，我發(fā)消息，你接受消息。必須要建立穩(wěn)定可靠的連接。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入篇-應用層MQTT(6)

工作原理

發(fā)布者將消息發(fā)布到代理服務器，代理服務器根據(jù)訂閱者的訂閱情況將消息分發(fā)給相應的訂閱者。

組成部分

主要包括發(fā)布者（Publisher）、訂閱者（Subscriber）、代理服務器（Broker）。

發(fā)布者 Publisher：

使用MQTT的程序或設備?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)絡連接到服務端。它可以發(fā)布應用消息給服務端。

服務端 Server：

一個程序或設備，作為發(fā)送消息的客戶端和請求訂閱的客戶端之間的中介。服務端接受來自客戶端的網(wǎng)絡連接、接受客戶端發(fā)布的應用消息、處理客戶端的訂閱和取消訂閱請求、轉(zhuǎn)發(fā)應用消息給符合條件的已訂閱客戶端。

訂閱者 Subscriber：

訂閱包含一個主題過濾器（Topic Filter）和一個最大的服務質(zhì)量（QoS）等級。訂閱與單個會話（Session）關聯(lián)。會話可以包含多于一個的訂閱。會話的每個訂閱都有一個不同的主題過濾器。

Topic（主題）：

Topic具有兩層含義：其一，在發(fā)布消息時，主題會與消息相關聯(lián)，以此向服務端表明這條消息要發(fā)送至哪個主題；其二，在訂閱消息時，客戶端需向服務端表明自己對哪個主題感興趣，一旦有消息發(fā)送給這個主題，服務端便會將該消息發(fā)給此主題的訂閱者。主題支持通配符，而對于使用通配符的主題，我們將其稱作 Topic Filter。

MQTT 控制報文

在MQTT協(xié)議中，一個MQTT數(shù)據(jù)包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構成。MQTT數(shù)據(jù)包結構如下：

消息類型：4位的無符號值。表示服務器到客戶端的單向還是雙向通信，發(fā)送消息還是訂閱消息還是取消訂閱消息。
標識位 / DUP：Duplicate Flag，用于指示該 Publish 報文是否為重發(fā)報文。如果 DUP 標志被設置為 0，表示第一次請求發(fā)送這個 Publish 報文；如果 DUP 標志被設置為 1，表示這可能是一個早前報文請求的重發(fā)?？蛻舳嘶蚍掌髡埱笾匕l(fā)一個 Publish 報文時，必須將 DUP 標志設置為 1。
Qos：Quality of Service（服務質(zhì)量）。它是用于消息可靠性傳遞的一個參數(shù)，具有 3 個取值，具體為：0：表示消息僅發(fā)送一次，不確保發(fā)送成功。1：意味著消息最少發(fā)送一次，保證發(fā)送成功，但由于可能會發(fā)送多次，所以接收方可能會收到重復消息。2：表明消息僅發(fā)送一次且保證成功，接收方不會接到重復消息。在發(fā)送消息時，可以對 QoS 進行指定，如果 QoS 大于 0，那么消息必然會被發(fā)送至 Broker。而在訂閱主題時，同樣也可以指定 QoS，如果 QoS 大于 0，那么 Broker 一定會將消息發(fā)送給訂閱者，不會出現(xiàn)消息丟失的情況。
RET：Publish Retain Flag，發(fā)布保留標識。指示服務器是否要保留發(fā)布的消息。當RET標志位設置為1時，表示服務器要保留這次推送的信息。如果有新的訂閱者出現(xiàn)，服務器會將保留的消息推送給它。如果沒有新的訂閱者，服務器會在推送至當前訂閱者后釋放該消息。如果RET標志位設置為0，則服務器不會保留發(fā)布的消息。
剩余長度：Remaining Length，表示當前報文剩余部分的字節(jié)數(shù)，包括可變報頭和負載的數(shù)據(jù)。剩余長度不包括用于編碼剩余長度字段本身的字節(jié)數(shù)。
可變頭：位于固定頭和負載之間?？勺冾^的內(nèi)容因數(shù)據(jù)包類型而異，通常包含與特定數(shù)據(jù)包類型相關的信息，例如數(shù)據(jù)包標識、主題名等。
消息體：Payload，也叫有效載荷。CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息有消息體： 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。 SUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。 SUBACK，消息體內(nèi)容是服務器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。 UNSUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是要取消訂閱的主題。

太枯燥了，舉個例子：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入篇-應用層MQTT(6)

特點

輕量級：占用資源少，適合資源受限的設備。
可靠性高：提供不同等級的服務質(zhì)量保證。MQTT 協(xié)議提供了 3 種消息服務質(zhì)量等級，保證了在不同的網(wǎng)絡環(huán)境下消息傳遞的可靠性。
低帶寬需求：MQTT 的最小報文僅為 2 個字節(jié)，比 HTTP 占用更少的網(wǎng)絡開銷。
穩(wěn)定連接：MQTT 與 HTTP 都能使用 TCP 連接，并實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡連接。
安全雙工通信：MQTT 基于發(fā)布訂閱模型，HTTP 基于請求響應，因此 MQTT 支持雙工通信。依賴于發(fā)布訂閱模式，MQTT 允許在設備和云之間進行雙向消息通信。發(fā)布訂閱模式的優(yōu)點在于：發(fā)布者與訂閱者不需要建立直接連接，也不需要同時在線，而是由消息服務器負責所有消息的路由和分發(fā)工作。

MQTT 可實時推送消息，但 HTTP 需要通過輪詢獲取數(shù)據(jù)更新。

MQTT 是有狀態(tài)的，但是 HTTP 是無狀態(tài)的。為了應對網(wǎng)絡不穩(wěn)定的情況，MQTT 提供了心跳保活（Keep Alive）機制。在客戶端與服務端長時間無消息交互的情況下，Keep Alive 保持連接不被斷開，若一旦斷開，客戶端可即時感知并立即重連。同時，MQTT 設計了遺愿消息，讓服務端在發(fā)現(xiàn)客戶端異常下線的情況下，幫助客戶端發(fā)布一條遺愿消息到指定的 MQTT 主題。

MQTT 可從連接異常斷開中恢復，HTTP 無法實現(xiàn)此目標。

靈活性：基于服務訂閱模式，消息路由更為靈活。

MQTT 協(xié)議和 HTTP 的對比：