MQTT协议详细说明与理解

一、简介

　　MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议） 协议是应用于边缘终端设备之间通过中心服务进行相互通信的协议。 MQTT 协议基于消息发布与订阅的处理机制实现，属于轻量级协议。

　　MQTT is a lightweight, publish-subscribe based messaging protocol designed for resource-constrained devices and low-bandwidth, high-latency, or unreliable networks.

二、协议详细说明

2.1）逻辑结构

mqtt协议

  • MQTT 组成部分

  从逻辑上来看，MQTT 主要有三部分组成：

    • 　　消息接收端：用来接收来自发送端的消息
    • 　　MQTT 代理：提供发布与订阅的能力
    • 　　消息发送端：用来发布消息给订阅的接收端

  但是从物理上来看，MQTT 只由两部分组成：

  • MQTT 客户端（通常是多个节点）
    •   发布其他客户端可能会订阅的信息；
    •   订阅其它客户端发布的消息；
    •   退订或删除应用程序的消息；
    •   断开与服务器连接；
  • MQTT 代理服务端
    •   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；

2.2）数据结构

　　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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

2.2.1）MQTT固定头

　　固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

2.2.1.1）MQTT数据包类型

　　位置：Byte 1中bits 7-4。相于一个4位的无符号值，类型、取值及描述如下：

2.2.1.2）标识位

　　位置：Byte 1中bits 3-0。
　　在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：

  1. DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。
  2. QoS：发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数
    • Ø00：最多一次，即：<=1
    • Ø01：至少一次，即：>=1
    • Ø10：一次，即：=1
    • Ø11：预留
  3. RETAIN： 发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。

2.2.1.3）剩余长度（Remaining Length）

　　地址：Byte 2。
　　固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0

2.2.2） MQTT可变头

　　MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是作为包的标识：
　　很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：

  • PUBLISH (QoS > 0)
  • PUBACK
  • PUBREC
  • PUBREL
  • PUBCOMP
  • SUBSCRIBE
  • SUBACK
  • UNSUBSCRIBE
  • UNSUBACK

2.2.3） Payload消息体

　　Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：

  1. CONNECT，消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
  2. SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
  3. SUBACK，消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
  4. UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。

三、协议特性

  MQTT 协议具有以下特性和优势，已成为物联网数据传输的标准：

  • 轻量、高效：IoT 设备上的 MQTT 实施需要最少的资源，因此它甚至可以用于小型微控制器。例如，最小的 MQTT 控制消息可以少至两个数据字节。MQTT 消息的标头也很小，因此您可以优化网络带宽。
  • 可扩展：MQTT 实施需要最少的代码，在操作中消耗的功率非常少。该协议还具有支持与大量物联网设备通信的内置功能。因此，您可以实施 MQTT 协议来连接数百万台此类设备。
  • 可靠：许多 IoT 设备通过低带宽、高延迟的不可靠蜂窝网络连接。MQTT 具有内置功能，可减少 IoT 设备重新连接云所需的时间。它还定义了三种不同的服务质量级别，以确保 IoT 用例的可靠性——最多一次（0）、至少一次（1）和恰好一次（2）。
  • 安全：MQTT 使开发人员可以轻松地使用现代身份验证协议（例如 OAuth、TLS1.3、客户管理的证书等）加密消息并对设备和用户进行身份验证。
  • 良好的支持：几种语言（如 Python）对 MQTT 协议的实施提供广泛的支持。因此，开发人员可以在任何类型的应用程序中以最少的编码快速实现它。

四、应用场景

 

五、参考资料

https://aws.amazon.com/cn/what-is/mqtt/

https://www.runoob.com/w3cnote/mqtt-intro.html

https://www.runoob.com/manual/mqtt/protocol/MQTT-3.1.1-CN.pdf

posted @ 2023-11-12 11:17  行近遠山  阅读(259)  评论(0)    收藏  举报