【網絡編程】mqtt概念&數據包

目錄

• 前言
• 1. MQTT 簡介
• 2. MQTT 通信模型
  • 2.1 MQTT 協議
  • 2.2 MQTT 協議中的訂閱&主題&會話
  • 2.3 MQTT 協議中的方法
• 3. MQTT 協議數據包結構
  • 3.1 固定報頭
  • 3.2 可變報頭
  • 3.3 有效載荷
• 參考

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前言

本筆記記錄 MQTT 相關概念。

原文：李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14994943.html

1. MQTT 簡介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是運行在 TCP/IP 中的應用層協議，主流依賴於 TCP 協議。（也有依賴於 UDP 的）
特點：

1. 開放消息協議，簡單易實現。
2. 發布訂閱模式，一對多消息發布。
3. 基於TCP/IP網絡連接,提供有序，無損，雙向連接。
4. 1字節固定報頭，2字節心跳報文，最小化傳輸開銷和協議交換，有效減少網絡流量。
5. 消息QoS支持，可靠傳輸保證。

特性：

1. 使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合。
2. 對負載內容屏蔽的消息傳輸。
3. 使用TCP/IP提供網絡連接。
4. 有三種消息發布服務質量：
   1. QoS0：最多發送一次消息，在消息發送出去后，接收者不會發送回應，發送者也不會重發消息。
   2. QoS1：最少發送一次消息（消息最少需要送達一次，也有可送達多次），QoS 1的PUBLISH報文的可變報頭中包含一個報文標識符，需要PUBACK報文確認。即需要接收者返回PUBACK應答報文。
   3. QoS2：這是最高等級的服務質量，消息丟失和重復都是不可接受的，只不過使用這個服務質量等級會有額外的開銷。
5. 小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是2字節），協議交換最小化，以降低網絡流量。
6. 使用Last Will和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制：
   • Last Will：即遺言機制，用於通知同一主題下的其他設備發送遺言的設備已經斷開了連接。
   • Testament：遺囑機制，功能類似於Last Will。

2. MQTT 通信模型

通信模型：

2.1 MQTT 協議

MQTT 協議中有三種身份：

• 發布者（Publish）：客戶端。消息發布者也可以同時是訂閱者。
• 服務器（Broker）：服務端。
• 訂閱者（Subscribe）：客戶端。

MQTT 傳輸的消息分為：主題（Topic）和負載（payload）：

• Topic：可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）后，就會收到該主題的消息內容（payload）。
  • 發布者與訂閱者可以通過主題名字進行匹配的。
• payload：可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

2.2 MQTT 協議中的訂閱&主題&會話

訂閱（Subscription）：

• 訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS）。
• 訂閱會與一個會話（Session）關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

會話（Session）：

• 每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態交互。
• 會話存在於一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。

主題名（Topic Name）：

• 連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配。
• 服務器會將消息發送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。

主題篩選器（Topic Filter）：

• 一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。

負載（Payload）：

• 消息訂閱者所具體接收的內容。

2.3 MQTT 協議中的方法

主要方法有：

• Connect：等待與服務器建立連接。
• Disconnect：等待MQTT客戶端完成所做的工作，並與服務器斷開TCP/IP會話。
• Subscribe：等待完成訂閱。
• UnSubscribe：等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。
• Publish：MQTT客戶端發送消息請求，發送完成后返回應用程序線程。

3. MQTT 協議數據包結構

一個MQTT數據包由三部分組成：

• 固定報頭（Fixed header）：表示數據包類型及數據包的分組類標識。
• 可變報頭（Variable header）：數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。
• 有效載荷（payload）：表示客戶端收到的具體內容。

3.1 固定報頭

固定報頭組成：

控制報文的類型 [7:4]：

• 4 bit，共16種。（0、15被系統保留了）

類型	值	說明
Reserved	0	系統保留
CONNECT	1	客戶端請求連接服務端
CONNACK	2	連接報文確認
PUBLISH	3	發布消息
PUBACK	4	消息發布收到確認（QoS 1）
PUBREC	5	發布收到（QoS2）
PUBREL	6	發布釋放（QoS2）
PUBCOMP	7	消息發布完成（QoS2）
SUBSCRIBE	8	客戶端訂閱請求
SUBACK	9	訂閱請求報文確認
UNSUBSCRIBE	10	客戶端取消訂閱請求
UNSUBACK	11	取消訂閱報文確認
PINGREQ	12	心跳請求
PINGRESP	13	心跳響應
DISCONNECT	14	客戶端斷開連接
Reserved	15	系統保留

控制報文類型的標志位 [3:0]：

• 目前除了 PUBLISH類型報文 以外，其他報文的標志位均為系統保留。
• PUBLISH類型報文的標志位：
  • bit3：控制報文的重復分發標志（DUP）。
  • bit2-bit1：服務質量等級。
    • 00：QoS0。
    • 01：QoS1。
    • 10：QoS2。
    • 11：預留。
  • bit0：PUBLISH 報文的保留標志。

剩余長度：（第二byte開始）

• 用於記錄剩余報文長度的，表示當前的消息剩余的字節數。包括可變報頭和有效載荷區域（如果存在），但剩余長度不包括用於編碼剩余長度字段本身的字節數。
• 剩余長度使用變長編碼方案：（大端模式）
  • 每個字節的 [bit7] 表示剩余長度是否還有更多字節表示。
    • 0：無。即是本字節為最后也給字節標識。
    • 1：有。
  • 每個字節的 [6:0]bit 表示編碼數據長度。
  • 如：127：只需要一個字節即可：0x7F。128：需要兩個字節：0x80、0x01。

3.2 可變報頭

只有某些MQTT報文才有可變報頭。
位於固定報頭和有效負載之間。
可變報頭的內容會根據報文類型的不同而有所不同。

3.3 有效載荷

有效載荷也是存在與某些報文中，不同的報文有效載荷也是不一樣的。

Payload有效載荷位於MQTT數據包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息：

• CONNECT：主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
• SUBSCRIBE：是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
• SUBACK：是服務器對於SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。
• UNSUBSCRIBE：是要訂閱的主題。

參考

鏈接：

• MQTT：https://mqtt.org/
• MQTT手冊：http://mqtt.p2hp.com/
• 項目網站：https://www.eclipse.org/paho/
• Eclipse項目信息：https://projects.eclipse.org/projects/iot.paho
• mosquitto：http://mosquitto.org/documentation/
• ubuntu安裝mosquitto：https://www.jianshu.com/p/37f7ee7ead65
• CONNECT報文格式：http://www.blogjava.net/yongboy/archive/2014/02/09/409630.html