Mqtt与mosquitto

1 MQTT概述

1.1 基本概念

MQTT&＃xff08;Message Queuing Telemetry Transport&＃xff0c;消息队列遥测传输协议&＃xff09;&＃xff0c;是一种基于发布/订阅&＃xff08;publish/subscribe&＃xff09;模式的"轻量级"通讯协议&＃xff0c;该协议构建于TCP/IP协议上&＃xff0c;由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于&＃xff0c;可以以极少的代码和有限的带宽&＃xff0c;为连接远程设备提供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&＃xff0c;使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

1.1.1 MQTT设计规范

由于物联网的环境是非常特别的&＃xff0c;低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯&＃xff0c;所以MQTT遵循以下设计原则&＃xff1a;

Ø 精简&＃xff0c;不添加可有可无的功能&＃xff1b;

Ø 发布/订阅&＃xff08;Pub/Sub&＃xff09;模式&＃xff0c;方便消息在传感器之间传递&＃xff1b;

Ø 允许用户动态创建主题&＃xff0c;零运维成本&＃xff1b;

Ø 把传输量降到最低以提高传输效率&＃xff1b;

Ø 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内&＃xff1b;

Ø 支持连续的会话控制

Ø 理解客户端计算能力可能很低&＃xff1b;

Ø 提供服务质量管理&＃xff1b;

Ø 假设数据不可知&＃xff0c;不强求传输数据的类型与格式&＃xff0c;保持灵活性

1.1.2 MQTT主要特点

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议&＃xff0c;它具有以下主要的几项特性&＃xff1a;

Ø 使用发布/订阅消息模式&＃xff0c;提供一对多的消息发布&＃xff0c;解除应用程序耦合。

Ø 对负载内容屏蔽的消息传输。

Ø 使用TCP/IP提供网络连接。&＃xff08;主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的&＃xff0c;但是同样有基于UDP的版本&＃xff0c;叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式&＃xff0c;优缺点自然也就各有不同了&＃xff09;

Ø 有三种消息发布服务质量&＃xff1a;

ü 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&＃xff0c;环境传感器数据&＃xff0c;丢失一次读记录无所谓&＃xff0c;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&＃xff0c;倘若你的智能设备在消息推送时未联网&＃xff0c;推送过去没收到&＃xff0c;再次联网也就收不到了。

ü “至少一次”,确保消息到达&＃xff0c;但消息重复可能会发生。

ü 只有一次”&＃xff0c;确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中&＃xff0c;可以使用此级别。在计费系统中&＃xff0c;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&＃xff0c;确保用户收到且只会收到一次。

Ø 小型传输&＃xff0c;开销很小&＃xff08;固定长度的头部是2字节&＃xff09;&＃xff0c;协议交换最小化&＃xff0c;以降低网络流量。(这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域&＃xff0c;传感器与服务器的通信&＃xff0c;信息的收集”&＃xff0c;要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱&＃xff0c;使用这种协议来传递消息再适合不过了)

Ø 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&＃xff1a;即遗言机制&＃xff0c;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&＃xff1a;遗嘱机制&＃xff0c;功能类似于Last Will。

1.2 MQTT****基本原理

1.2.1 MQTT实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成&＃xff0c;在通讯过程中&＃xff0c;MQTT协议中有三种身份&＃xff1a;发布者&＃xff08;Publish&＃xff09;、代理&＃xff08;Broker&＃xff09;&＃xff08;服务器&＃xff09;、订阅者&＃xff08;Subscribe&＃xff09;。其中&＃xff0c;消息的发布者和订阅者都是客户端&＃xff0c;消息代理是服务器&＃xff0c;消息发布者可以同时是订阅者。***MQTT****传输的消息分为&＃xff1a;主题&＃xff08;*Topic*&＃xff09;和负载&＃xff08;*payload*&＃xff09;两部分*&＃xff1a;

Ø Topic&＃xff0c;可以理解为消息的类型&＃xff0c;订阅者订阅&＃xff08;Subscribe&＃xff09;后&＃xff0c;就会收到该主题的消息内容&＃xff08;payload&＃xff09;&＃xff1b;

Ø payload&＃xff0c;可以理解为消息的内容&＃xff0c;是指订阅者具体要使用的内容。

MQTT会构建底层网络传输&＃xff1a;它将建立客户端到服务器的连接&＃xff0c;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&＃xff0c;MQTT会把与之相关的服务质量&＃xff08;QoS&＃xff09;和主题名&＃xff08;Topic&＃xff09;相关连。

1.2.2 MQTT客户端与服务器

(1) MQTT****客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备&＃xff0c;它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以&＃xff1a;

Ø 发布其他客户端可能会订阅的信息&＃xff1b;

Ø 订阅其它客户端发布的消息&＃xff1b;

Ø 退订或删除应用程序的消息&＃xff1b;

Ø 断开与服务器连接。

(2) MQTT****服务器

MQTT服务器以称为“消息代理”&＃xff08;Broker&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;它可以&＃xff1a;

Ø 接受来自客户的网络连接&＃xff1b;

Ø 接受客户发布的应用信息&＃xff1b;

Ø 处理来自客户端的订阅和退订请求&＃xff1b;

Ø 向订阅的客户转发应用程序消息。

1.2.3 MQTT订阅、主题、会话

Ø 订阅&＃xff08;Subscription&＃xff09;

订阅包含主题筛选器&＃xff08;Topic Filter&＃xff09;和最大服务质量&＃xff08;QoS&＃xff09;。订阅会与一个会话&＃xff08;Session&＃xff09;关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

Ø 会话&＃xff08;Session&＃xff09;

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话&＃xff0c;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&＃xff0c;也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

Ø 主题名&＃xff08;Topic Name&＃xff09;

连接到一个应用程序消息的标签&＃xff0c;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。

Ø 主题筛选器&＃xff08;Topic Filter&＃xff09;

一个对主题名通配符筛选器&＃xff0c;在订阅表达式中使用&＃xff0c;表示订阅所匹配到的多个主题。

Ø 负载&＃xff08;Payload&＃xff09;

消息订阅者所具体接收的内容。

1.2.4 MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法&＃xff08;也被称为动作&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;这取决于服务器的实现。通常来说&＃xff0c;资源指服务器上的文件或输出。主要方法有&＃xff1a;

Ø Connect。等待与服务器建立连接。

Ø Disconnect。等待MQTT客户端完成所做的工作&＃xff0c;并与服务器断开TCP/IP会话。

Ø Subscribe。等待完成订阅。

Ø UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。

Ø Publish。MQTT客户端发送消息请求&＃xff0c;发送完成后返回应用程序线程。

1.3 MQTT****协议数据包

在MQTT协议中&＃xff0c;一个MQTT数据包由&＃xff1a;固定头&＃xff08;Fixed header&＃xff09;、可变头&＃xff08;Variable header&＃xff09;、消息体&＃xff08;payload&＃xff09;三部分构成。MQTT数据包结构如下&＃xff1a;

Ø 固定头&＃xff08;Fixed header&＃xff09;。存在于所有MQTT数据包中&＃xff0c;表示数据包类型及数据包的分组类标识。

Ø 可变头&＃xff08;Variable header&＃xff09;。存在于部分MQTT数据包中&＃xff0c;数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。

Ø 消息体&＃xff08;Payload&＃xff09;。存在于部分MQTT数据包中&＃xff0c;表示客户端收到的具体内容。

1.3.1 MQTT固定头

固定头结构如下表&＃xff1a;

Ø 数据类型

Byte 1中bits 7-4&＃xff0c;相于一个4位的无符号值&＃xff0c;类型、取值及描述如下&＃xff1a;

Ø 标识位

位置&＃xff1a;Byte 1中bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中&＃xff0c;标识位被做为保留位。如果收到无效的标志时&＃xff0c;接收端必须关闭网络连接&＃xff1a;

· DUP&＃xff1a;发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输&＃xff0c;如果设置为 1&＃xff0c;则在下面的变长中增加MessageId&＃xff0c;并且需要回复确认&＃xff0c;以保证消息传输完成&＃xff0c;但不能用于检测消息重复发送。

· QoS&＃xff1a;发布消息的服务质量&＃xff0c;即&＃xff1a;保证消息传递的次数

o 00&＃xff1a;最多一次&＃xff0c;即&＃xff1a;<&＃61;1

o 01&＃xff1a;至少一次&＃xff0c;即&＃xff1a;>&＃61;1

o 10&＃xff1a;一次&＃xff0c;即&＃xff1a;&＃61;1

o 11&＃xff1a;预留

· RETAIN&＃xff1a; 发布保留标识&＃xff0c;表示服务器要保留这次推送的信息&＃xff0c;如果有新的订阅者出现&＃xff0c;就把这消息推送给它&＃xff0c;如果设有那么推送至当前订阅者后释放

1.3.2 MQTT可变头

MQTT数据包中包含一个可变头&＃xff0c;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&＃xff0c;较常的应用是作为包的标识&＃xff1a;很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段&＃xff0c;这些类型的包有&＃xff1a;PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

1.3.3 MQTT消息体

Payload消息体位MQTT数据包的第三部分&＃xff0c;包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息&＃xff1a;

Ø CONNECT&＃xff0c;消息体内容主要是&＃xff1a;客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。

Ø SUBSCRIBE&＃xff0c;消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。

Ø SUBACK&＃xff0c;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。

Ø UNSUBSCRIBE&＃xff0c;消息体内容是要订阅的主题。

2 Mosquitto概述

一款实现了消息推送协议 MQTT v3.1 的开源消息代理软件&＃xff0c;提供轻量级的&＃xff0c;支持可发布/可订阅的的消息推送模式&＃xff0c;使设备对设备之间的短消息通信变得简单&＃xff0c;比如现在应用广泛的低功耗传感器&＃xff0c;手机、嵌入式计算机、微型控制器等移动设备。

MQTT作为一种协议&＃xff0c;Mosquitto机基于该协议的服务&＃xff0c;Mosquitto就是上图中MQTT Broker角色

3 参考文献

参考文献&＃xff1a;https://blog.csdn.net/qq_28877125/article/details/78325003