TCP/IP协议—MQTT

news2024/11/23 10:19:43

TCP/IP协议—MQTT

  • MQTT协议
    • MQTT协议特点
    • MQTT通信流程
    • MQTT协议概念
  • MQTT报文
    • 固定报头
    • 可变报头
    • 有效载荷

MQTT协议

消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，因此易于实现。这些特点使得它对很多场景来说都是很好的选择，包括受限的环境如机器与机器的通信（M2M）以及物联网环境（IoT）。
MQTT基于TCP协议（1883端口），同时支持TLS协议加密（8883端口）以及WebSocket协议。

MQTT协议源文档

MQTT协议特点

  • 开放消息协议，简单易实现
  • 发布订阅模式，一对多消息发布
  • 基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。
  • 消息QoS支持，可靠传输保证

MQTT通信流程

在这里插入图片描述
客户端
使用MQTT的程序或设备。根据功能的不同也可称为发布者或者订阅者

  • 打开连接到服务端的网络连接
  • 发布应用消息给其它相关的客户端
  • 订阅以请求接受相关的应用消息
  • 取消订阅以移除接受应用消息的请求
  • 关闭连接到服务端的网络连接

服务端
作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端之间的中介。也被称为MQTT代理，因为服务器只做消息管理，不处理应用数据，而是转发应用数据。

  • 接受来自客户端的网络连接
  • 接受客户端发布的应用消息
  • 处理客户端的订阅和取消订阅请求
  • 转发应用消息给符合条件的已订阅客户端
  • 关闭来自客户端的网络连接

MQTT协议概念

  • 会话（Subscription）：客户端和服务端之间的状态交互。每一个与服务端交互的客户端都会有一个client ID，这个ID是唯一ID，如果与其他的客户端重复，将会被服务器踢下线。
  • 主题（topic）：主题是应用消息的标签，发布以及订阅都是通过主题进行的。主题支持通配符，可以通过通配符实现同时向多个主题发布数据。
  • 订阅（Subscription）：通过订阅主题，接受服务器的数据。可以理解为微信订阅公众号。
  • 发布（Public）：通过主题讲信息发送到服务器。可以理解为微信公众号发推文。
  • 服务质量（QoS）：服务质量是MQTT控制数据可靠性的一个特性。QoS有三个等级，当双方的QoS等级不一致时，以等级低的一方为准。
    • QoS 0：“最多一次”，尽操作环境所能提供的最大努力分发消息。只发送一次，数据可能会丢失或者因重发导致重复。
    • QoS 1：“至少一次”，保证消息可以到达，但是可能会重复。发送多次，当服务器回复后停止发送，可能会因网络延迟导致对端收到多次。
    • QoS 2：“仅一次”，保证消息只到达一次。确保只收到一次，分4步进行确认。
      1. 发布者发送消息到服务器： 发布者将消息发送到MQTT服务器。
      2. 服务器发送确认消息给发布者： 服务器收到消息后发送确认消息给发布者，告知消息已经收到。
      3. 服务器将消息发送给订阅者： 服务器将消息发送给所有订阅者。
      4. 订阅者发送确认消息给服务器： 订阅者收到消息后发送确认消息给服务器，告知消息已经收到。
  • 遗嘱消息（Will Message）：在网络连接非正常关闭的情况下，由服务端发布的应用消息。
  • 消息保留（Retained Messages）：发布者可以选择保留消息，这意味着 MQTT 服务器将保留最新的消息，并在订阅者订阅该主题时立即发送给它们。这对于传递状态信息或配置信息很有用。

MQTT报文

在这里插入图片描述

MQTT报文包含3部分

  1. 固定报头（Fixed Header）：所有控制报文都包含，表示数据包类型及数据包的分组标识。
  2. 可变报头（Variable Header）：部分控制报文包含，数据包类型决定可变报头是否存在。
  3. 有效载荷（Payload）：部分控制报文包含，数据包类型决定可变报头是否存在。

固定报头

在这里插入图片描述
固定报头包含3部分

  • MQTT报文类型（MQTT Control Packet type）
  • MQTT报文类型标志位（Flags specific to each MQTT Control Packet type）
  • 剩余长度（Remaining Length）

MQTT报文类型可以参考👇表格

类型值方向描述有效载荷可变报头报文标识符
Reserved0禁止保留不需要不需要
CONNECT1客户端到服务端客户端请求连接服务端需要不需要
CONNACK2服务端到客户端连接报文确认不需要不需要
PUBLISH3两个方向都允许发布消息可选需要（如果QoS>0）
PUBACK4两个方向都允许QoS 1消息发布收到确认不需要需要
PUBREC5两个方向都允许发布收到（保证交付第一步）不需要需要
PUBREL6两个方向都允许发布释放（保证交付第二步）不需要需要
PUBCOMP7两个方向都允许QoS 2消息发布完成（保证交互第三步）不需要需要
SUBSCRIBE8客户端到服务端客户端订阅请求需要需要
SUBACK9服务端到客户端订阅请求报文确认需要需要
UNSUBSCRIBE10客户端到服务端客户端取消订阅请求需要需要
UNSUBACK11服务端到客户端取消订阅报文确认需要需要
PINGREQ12客户端到服务端心跳请求不需要不需要
PINGRESP13服务端到客户端心跳响应不需要不需要
DISCONNECT14两个方向都允许断开连接通知不需要不需要
AUTH15两个方向都允许认证信息交换不需要不需要

MQTT报文类型标志位目前是保留位，当前只有MQTT 5.0 规范中PUBLISH用到。

  • Bit 3：DUP，表示当前 PUBLISH 报文是否是一个重传的报文。
  • Bit 2,1：QoS，表示当前 PUBLISH 报文使用的服务质量等级。
  • Bit 0：Retain，表示当前 PUBLISH 报文是否是一个保留消息。

剩余长度
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。

可变报头

某些 MQTT 控制报文包含一个可变报头部分。它在固定报头和有效载荷之间。可变报头的报文标识符（Packet Identifier）字段存在于在多个类型的报文里。
由于可变报头的内容根据报文类型的不同而不同，篇幅过长，具体可以参考👆MQTT协议源文档。

有效载荷

有效载荷是实现某种报文类型的核心，但是MQTT只有几种报文需要有效载荷。

  • CONNECT：包含客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
  • PUBLISH：包含客户端要发布的内容，当内容为空时则不存在。
  • SUBSCRIBE：包含一系列的要订阅的主题以及QoS。
  • SUBACK：包含服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
  • UNSUBSCRIBE：包含客户端要订阅的主题。
  • UNSUBACK：包含务器对于UNSUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。

学习笔记，有问题欢迎指出
参考链接
https://mqtt.p2hp.com/

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