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

躍曰

2024-06-17

0 評(píng)論 632 瀏覽 3 收藏

13 分鐘

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

MQTT 協(xié)議

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸，Message Queuing Telemetry Transport，MQTT 是ISO 標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計(jì)的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。

MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。為什么，因?yàn)閰f(xié)議簡(jiǎn)單，開銷就??；發(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(gè)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(dǎo)游只說一遍，大家都帶著藍(lán)牙耳機(jī)，都能聽到；持久會(huì)話，不會(huì)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(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。

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

HTTP 基于請(qǐng)求響應(yīng)，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(yīng)用層MQTT(6)

工作原理

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

發(fā)布者 Publisher：

使用MQTT的程序或設(shè)備?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)端。它可以發(fā)布應(yīng)用消息給服務(wù)端。

服務(wù)端 Server：

一個(gè)程序或設(shè)備，作為發(fā)送消息的客戶端和請(qǐng)求訂閱的客戶端之間的中介。服務(wù)端接受來自客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接、接受客戶端發(fā)布的應(yīng)用消息、處理客戶端的訂閱和取消訂閱請(qǐng)求、轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)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(gè)主題過濾器（Topic Filter）和一個(gè)最大的服務(wù)質(zhì)量（QoS）等級(jí)。訂閱與單個(gè)會(huì)話（Session）關(guān)聯(lián)。會(huì)話可以包含多于一個(gè)的訂閱。會(huì)話的每個(gè)訂閱都有一個(gè)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(shí)，主題會(huì)與消息相關(guān)聯(lián)，以此向服務(wù)端表明這條消息要發(fā)送至哪個(gè)主題；其二，在訂閱消息時(shí)，客戶端需向服務(wù)端表明自己對(duì)哪個(gè)主題感興趣，一旦有消息發(fā)送給這個(gè)主題，服務(wù)端便會(huì)將該消息發(fā)給此主題的訂閱者。主題支持通配符，而對(duì)于使用通配符的主題，我們將其稱作 Topic Filter。

MQTT 控制報(bào)文

在MQTT協(xié)議中，一個(gè)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(gòu)成。MQTT數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下：

消息類型：4位的無符號(hào)值。表示服務(wù)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(biāo)識(shí)位 / DUP：Duplicate Flag，用于指示該 Publish 報(bào)文是否為重發(fā)報(bào)文。如果 DUP 標(biāo)志被設(shè)置為 0，表示第一次請(qǐng)求發(fā)送這個(gè) Publish 報(bào)文；如果 DUP 標(biāo)志被設(shè)置為 1，表示這可能是一個(gè)早前報(bào)文請(qǐng)求的重發(fā)?？蛻舳嘶蚍?wù)器請(qǐng)求重發(fā)一個(gè) Publish 報(bào)文時(shí)，必須將 DUP 標(biāo)志設(shè)置為 1。
Qos：Quality of Service（服務(wù)質(zhì)量）。它是用于消息可靠性傳遞的一個(gè)參數(shù)，具有 3 個(gè)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(huì)發(fā)送多次，所以接收方可能會(huì)收到重復(fù)消息。2：表明消息僅發(fā)送一次且保證成功，接收方不會(huì)接到重復(fù)消息。在發(fā)送消息時(shí)，可以對(duì) QoS 進(jìn)行指定，如果 QoS 大于 0，那么消息必然會(huì)被發(fā)送至 Broker。而在訂閱主題時(shí)，同樣也可以指定 QoS，如果 QoS 大于 0，那么 Broker 一定會(huì)將消息發(fā)送給訂閱者，不會(huì)出現(xiàn)消息丟失的情況。
RET：Publish Retain Flag，發(fā)布保留標(biāo)識(shí)。指示服務(wù)器是否要保留發(fā)布的消息。當(dāng)RET標(biāo)志位設(shè)置為1時(shí)，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(xiàn)，服務(wù)器會(huì)將保留的消息推送給它。如果沒有新的訂閱者，服務(wù)器會(huì)在推送至當(dāng)前訂閱者后釋放該消息。如果RET標(biāo)志位設(shè)置為0，則服務(wù)器不會(huì)保留發(fā)布的消息。
剩余長(zhǎng)度：Remaining Length，表示當(dāng)前報(bào)文剩余部分的字節(jié)數(shù)，包括可變報(bào)頭和負(fù)載的數(shù)據(jù)。剩余長(zhǎng)度不包括用于編碼剩余長(zhǎng)度字段本身的字節(jié)數(shù)。
可變頭：位于固定頭和負(fù)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(guān)的信息，例如數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)、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(wù)器對(duì)于SUBSCRIBE所申請(qǐng)的主題及QoS進(jìn)行確認(rèn)和回復(fù)。 UNSUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是要取消訂閱的主題。

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

特點(diǎn)

輕量級(jí)：占用資源少，適合資源受限的設(shè)備。
可靠性高：提供不同等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量保證。MQTT 協(xié)議提供了 3 種消息服務(wù)質(zhì)量等級(jí)，保證了在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下消息傳遞的可靠性。
低帶寬需求：MQTT 的最小報(bào)文僅為 2 個(gè)字節(jié)，比 HTTP 占用更少的網(wǎng)絡(luò)開銷。
穩(wěn)定連接：MQTT 與 HTTP 都能使用 TCP 連接，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。
安全雙工通信：MQTT 基于發(fā)布訂閱模型，HTTP 基于請(qǐng)求響應(yīng)，因此 MQTT 支持雙工通信。依賴于發(fā)布訂閱模式，MQTT 允許在設(shè)備和云之間進(jìn)行雙向消息通信。發(fā)布訂閱模式的優(yōu)點(diǎn)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(shí)在線，而是由消息服務(wù)器負(fù)責(zé)所有消息的路由和分發(fā)工作。

MQTT 可實(shí)時(shí)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(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況，MQTT 提供了心跳?；睿↘eep Alive）機(jī)制。在客戶端與服務(wù)端長(zhǎng)時(shí)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(shí)感知并立即重連。同時(shí)，MQTT 設(shè)計(jì)了遺愿消息，讓服務(wù)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(fù)，HTTP 無法實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。

靈活性：基于服務(wù)訂閱模式，消息路由更為靈活。

MQTT 協(xié)議和 HTTP 的對(duì)比：