消息格式
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一种轻量级的消息协议,专为低带宽、高延迟或不可靠的网络设计,广泛应用于物联网(IoT)设备之间的通信。MQTT消息体的结构遵循MQTT协议规范,主要由以下几个部分组成:
MQTT消息格式
MQTT的消息传输基于发布/订阅模式,通过主题(Topic)进行消息路由。每个从客户端发送到服务器(或服务器发送到客户端)的消息都包含一个固定头部(Fixed Header),可变头部(Variable Header,视消息类型而定),以及有效载荷(Payload)。下面是对这些组成部分的详细说明:
1. 固定头部(Fixed Header)
固定头部是所有MQTT消息都必须包含的部分,它携带了关于消息的基本信息,如消息类型、标志位等。
- 消息类型:标识消息的目的,例如CONNECT(连接服务端)、PUBLISH(发布消息)、SUBSCRIBE(订阅主题)等。
- 标志位:根据消息类型的不同,可能包括一些额外的控制标志。
- 剩余长度:表示后面跟随的数据(可变头部+有效载荷)的字节长度。
2. 可变头部(Variable Header)
并不是所有的MQTT消息都需要可变头部,它的存在与否取决于消息类型。可变头部通常包含一些特定于消息类型的附加信息,比如:
- 在
PUBLISH
消息中,它包含了主题名称(Topic Name)和包标识符(Packet Identifier,对于QoS级别大于0的消息)。 - 在
CONNECT
消息中,它会包含协议名、协议版本、连接标志等信息。
3. 有效载荷(Payload)
有效载荷是消息的实际内容,具体内容依赖于消息类型:
- 对于
PUBLISH
消息,有效载荷就是实际要传输的数据,可以是任何格式(如JSON、XML、纯文本等)。 - 对于
SUBSCRIBE
消息,有效载荷则是一组主题过滤器及其对应的QoS等级。 - 其他类型的消息(如
CONNECT
、CONNACK
等)的有效载荷可能是空的,或者包含少量特定数据。
MQTT数据包结构图如下:
固定头结构如下图:
消息发布机制
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)协议定义了客户端向服务器(broker)发布消息的方式,这些方式主要围绕着如何指定主题、设置服务质量(QoS)等级以及处理其他发布相关的参数。以下是MQTT消息发布的几种关键方式和相关特性:
1. 指定主题(Topic)
在发布消息时,必须指定一个或多个主题。主题是消息的标识符,订阅者通过匹配感兴趣的主题来接收消息。
- 精确匹配:发布者可以直接指定一个确切的主题名称来发布消息。
- 通配符使用限制:发布消息时不能使用单级(
+
)或多级(#
)通配符,这些仅用于订阅操作。
2. 设置服务质量(QoS)
发布消息时可以选择三种不同的服务质量级别:
- QoS 0:最多一次交付。消息发送后不进行确认,适用于对消息丢失容忍度较高的场景。
- QoS 1:至少一次交付。确保消息至少被送达一次,但可能会重复。每次发送都会等待PUBACK确认。
- QoS 2:恰好一次交付。提供最高的可靠性保证,确保消息只被送达一次。涉及更复杂的四步握手过程(PUBLISH, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP)。
3. Retain标志
发布消息时可以设置保留消息(Retain flag)。如果此标志被设置为true,则该消息将作为该主题的最新状态保存在broker上。任何新订阅此主题的客户端都会立即收到这条保留消息。
- 清除保留消息:如果你想清除某个主题的保留消息,只需发布一条retain标志为true但内容为空的消息到该主题即可。
4. DUP标志
对于QoS大于0的消息,DUP(Duplicate)标志可能出现在重新发送的消息中,以指示这是一条重发的消息。这有助于接收方识别并正确处理重复的消息。
5. Message Expiry Interval (MQTT v5)
在MQTT v5版本中引入了一个新的特性——消息过期间隔(Message Expiry Interval),允许发布者设定消息的有效期。如果消息在此时间内未被所有目标订阅者接收,则会被broker丢弃。
6. Payload Format Indicator (MQTT v5)
同样是在MQTT v5中新增的功能,Payload Format Indicator允许发布者指示消息体的格式类型(如UTF-8编码文本或其他二进制数据),以便订阅者更好地解析消息内容。
7. Response Topic & Correlation Data (MQTT v5)
这两个属性也是MQTT v5的一部分,用于支持请求/响应模式。Response Topic
指定了应答消息应当发布的主题,而Correlation Data
则可用于关联请求与响应消息。
消息订阅机制
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)协议提供了灵活的消息订阅机制,允许客户端根据需要选择不同的订阅方式。以下是几种主要的订阅方式和相关特性:
1. 主题订阅
这是最基本也是最常用的订阅方式。客户端可以订阅一个或多个主题(Topics),当有消息发布到这些主题时,所有订阅了该主题的客户端都会收到消息。
-
单级别通配符(+):可以在主题过滤器中使用单个 '+' 符号来代替一层级别的主题名称。例如,
home/+/temperature
将匹配home/livingroom/temperature
和home/kitchen/temperature
。 -
多级别通配符(#):'#' 必须位于主题过滤器的末尾,并且代表匹配任意数量的层级。例如,
home/#
可以匹配home/livingroom/temperature
,home/kitchen/light
, 等等。
2. QoS(Quality of Service)等级
在订阅时,可以选择服务质量(QoS)等级,这决定了消息传递的保证程度:
- QoS 0:最多一次,消息发送者尝试发送消息一次,不保证送达。
- QoS 1:至少一次,确保消息至少被送达一次,但可能会重复。
- QoS 2:恰好一次,确保消息只被送达一次,提供最高的可靠性。
3. 持久会话
通过设置 cleanSession
参数为 false(在 MQTT v5 中称为 Clean Start
),客户端可以让服务器保持其会话状态。这意味着即使客户端断开连接,它也能在重新连接后接收到在其离线期间发布的消息。
4. 共享订阅
一些MQTT代理实现了共享订阅功能,允许多个客户端共享对同一主题的订阅。在这种模式下,当一条新消息到达时,只会有一部分订阅者接收该消息,而不是所有的订阅者都收到相同的消息副本。这对于负载均衡非常有用。
5. Retain Handling
MQTT v5 引入了更精细的保留消息处理选项 (Retain Handling
),它定义了如何处理保留消息:
- Retain Handling 0:只要订阅建立,就发送保留消息。
- Retain Handling 1:只有建立全新的订阅而不是重复订阅时,才发送保留消息。
- Retain Handling 2:订阅建立时不要发送保留消息。
6. No Local
如果设置了 No Local
标志,则服务端不会将消息转发给发布这条消息的客户端本身。这个选项对于桥接场景特别有用。
7. Retain As Published
另一个 MQTT v5 特性是 Retain As Published
,它控制是否保留消息中的 Retain
标识。这对于桥接场景下的跨服务器保留消息传播非常重要。
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