MQTT简单介绍

发表于2021-03-16更新于2021-04-23字数统计1.5k阅读时长8分

简述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅模式的”轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上。好比你给好友发送一封电子邮件，发送完成后你可以去做别的事情，收件人也不必立刻响应，可以在自己有空的时候查看邮件，是一个典型的异步发布/订阅场景。而另一种典型的同步请求/回答场景，可以用接打电话的场景来类比。

MQTT的设计遵循以下的原则：

  1. 精简，不添加可有可无的功能。
  2. 发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递。
  3. 允许用户动态创建主题，零运维成本。
  4. 把传输量降到最低以提高传输效率。
  5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
  6. 支持连续的会话控制。
  7. 理解客户端计算能力可能很低。
  8. 提供服务质量管理。
  9. 假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

服务质量

为了满足不同的场景，MQTT支持三种不同级别的服务质量（Quality of Service，QoS）为不同场景提供消息可靠性：

  1. 级别0：尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息，但是遇到意外并不会重试。
  2. 级别1：至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失，消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次，当然可能造成重复消息。
  3. 级别2：恰好一次。保证这种语义肯待会减少并发或者增加延时，不过丢失或者重复消息是不可接受的时候，级别2是最合适的。

消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型：

  1. CONNECT：客户端连接到MQTT代理
  2. CONNACK：连接确认
  3. PUBLISH：新发布消息
  4. PUBACK：新发布消息确认，是QoS 1给PUBLISH消息的回复
  5. PUBREC：QoS 2消息流的第一部分，表示消息发布已记录
  6. PUBREL：QoS 2消息流的第二部分，表示消息发布已释放
  7. PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分，表示消息发布完成
  8. SUBSCRIBE：客户端订阅某个主题
  9. SUBACK：对于SUBSCRIBE消息的确认
  10. UNSUBSCRIBE：客户端终止订阅的消息
  11. UNSUBACK：对于UNSUBSCRIBE消息的确认
  12. PINGREQ：心跳
  13. PINGRESP：确认心跳
  14. DISCONNECT：客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理

MQTT协议原理

协议

MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

  1. Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
  2. payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，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，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

MQTT客户端

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

  1. 发布其他客户端可能会订阅的信息；
  2. 订阅其它客户端发布的消息；
  3. 退订或删除应用程序的消息；
  4. 断开与服务器连接。

MQTT服务器

MQTT服务器以称为”消息代理”（Broker），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，它可以：

  1. 接受来自客户的网络连接；
  2. 接受客户发布的应用信息；
  3. 处理来自客户端的订阅和退订请求；
  4. 向订阅的客户转发应用程序消息。

MQTT协议中的订阅、主题、会话

订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）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。

会话（Session）

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

主题（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，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。

主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），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，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

  1. Connect：等待与服务器建立连接。
  2. Disconnect：等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。
  3. Subscribe：等待完成订阅。
  4. UnSubscribe：等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
  5. Publish：MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。