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MQTT协议,终于有人讲清楚了

大家好,我是小麦,最近做了一个物联网的项目,顺便总结一下MQTT协议。大家都知道,MQTT协议在物联网中很常用,如果你对此还不是很了解,相信这篇文章可以带你入门。

作者:菜刀和小麦 来源:小麦大叔|2021-07-05 22:22

本文转载自微信公众号「小麦大叔」,作者菜刀和小麦。转载本文请联系小麦大叔公众号。

大家好,我是小麦,最近做了一个物联网的项目,顺便总结一下MQTT协议。大家都知道,MQTT协议在物联网中很常用,如果你对此还不是很了解,相信这篇文章可以带你入门。

  • mqtt协议
  • 1 MQTT协议特点
    • 发布和订阅
    • QoS(Quality of Service levels)
  • 2 MQTT 数据包结构
    • 2.1 MQTT固定头
    • 2.2 MQTT可变头 / Variable header
    • 2.3 Payload消息体
  • 3 环境搭建
    • 3.1 MQTT服务器搭建
    • 3.2 MQTT Client
  • 4 总结

mqtt协议

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议),是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的“轻量级”通讯协议,该协议构建于TCP/IP协议上,由IBM在1999年发布。

MQTT最大优点在于,用极少的代码和有限的带宽,为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。

作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议,使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

1、MQTT协议特点

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。

MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的,这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下,包括受限的环境中,如:机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)。

其在,通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT协议当前版本为,2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外,还有一个简化版MQTT-SN,该协议主要针对嵌入式设备,这些设备一般工作于TCP/IP网络,如:ZigBee。

MQTT 与 HTTP 一样,MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。

MQTT OSI

发布和订阅

MQTT使用的发布/订阅消息模式,它提供了一对多的消息分发机制,从而实现与应用程序的解耦。

这是一种消息传递模式,消息不是直接从发送器发送到接收器(即点对点),而是由MQTT server(或称为 MQTT Broker)分发的。

MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。

它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现,当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。

服务器分发消息,因此必须是发布者,但绝不是订阅者!

客户端可以发布消息(发送方)、订阅消息(接收方)或两者兼而有之。

客户端(也称为节点)是一种智能设备,如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。

消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。

我们来看看下面的设置。

  • 光伏发电站是发布者(Publisher)。
  • 主要主题(Topic)级别是"PV",这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data";
  • "PV/sunshine"是一个布尔值(true/fault,也可以是 1/0),充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车(仅在阳光普照时 :))。
  • 充电站(EVSE)是订阅者,订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。
  • "PV/data" 另一方面,以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率,并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅,以生成一天内传输功率的图表。

这就是一个简单的MQTT的应用场景,具体如下图所示;

MQTT 发布和订阅

QoS(Quality of Service levels)

服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时,连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中,中断和干扰很频繁,MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器,则客户端将是发送者,MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时,服务器是发送者,客户端是接收者。

QoS 0

这一级别会发生消息丢失或重复,消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即:<=1

QoS 1

QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。

QoS 2

使用 QoS 2,我们保证消息仅传送到目的地一次。为此,带有唯一消息 ID 的消息会存储两次,首先来自发送者,然后是接收者。QoS 级别 2 在网络中具有最高的开销,因为在发送方和接收方之间需要两个流。

2、MQTT 数据包结构

  • 固定头(Fixed header),存在于所有MQTT数据包中,表示数据包类型及数据包的分组类标识;
  • 可变头(Variable header),存在于部分MQTT数据包中,数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容;
  • 消息体(Payload),存在于部分MQTT数据包中,表示客户端收到的具体内容;

整体MQTT的消息格式如下图所示;

2.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中,其结构如下:

下面简单分析一下固定头的消息格式;

MQTT消息类型 / message type

**位置:**byte 1, bits 7-4。

4位的无符号值,类型如下:

名称 流方向 描述
Reserved 0 不可用 保留位
CONNECT 1 客户端到服务器 客户端请求连接到服务器
CONNACK 2 服务器到客户端 连接确认
PUBLISH 3 双向 发布消息
PUBACK 4 双向 发布确认
PUBREC 5 双向 发布收到(保证第1部分到达)
PUBREL 6 双向 发布释放(保证第2部分到达)
PUBCOMP 7 双向 发布完成(保证第3部分到达)
SUBSCRIBE 8 客户端到服务器 客户端请求订阅
SUBACK 9 服务器到客户端 订阅确认
UNSUBSCRIBE 10 客户端到服务器 请求取消订阅
UNSUBACK 11 服务器到客户端 取消订阅确认
PINGREQ 12 客户端到服务器 PING请求
PINGRESP 13 服务器到客户端 PING应答
DISCONNECT 14 客户端到服务器 中断连接
Reserved 15 不可用 保留位

标识位 / DUP

**位置:**byte 1, bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中,标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时,接收端必须关闭网络连接:

数据包 标识位 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
CONNECT 保留位 0 0 0 0
CONNACK 保留位 0 0 0 0
PUBLISH MQTT 3.1.1使用 DUP1 QoS2 QoS2 RETAIN3
PUBACK 保留位 0 0 0 0
PUBREC 保留位 0 0 0 0
PUBREL 保留位 0 0 0 0
PUBCOMP 保留位 0 0 0 0
SUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
SUBACK 保留位 0 0 0 0
UNSUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
UNSUBACK 保留位 0 0 0 0
PINGREQ 保留位 0 0 0 0
PINGRESP 保留位 0 0 0 0
DISCONNECT 保留位 0 0 0 0
  • DUP:发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输,如果设置为

1,则在下面的变长中增加MessageId,并且需要回复确认,以保证消息传输完成,但不能用于检测消息重复发送。

  • QoS发布消息的服务质量(前面已经做过介绍),即:保证消息传递的次数
    • 00:最多一次,即:<=1
    • 01:至少一次,即:>=1
    • 10:一次,即:=1
    • 11:预留
  • RETAIN:发布保留标识,表示服务器要保留这次推送的信息,如果有新的订阅者出现,就把这消息推送给它,如果设有那么推送至当前订阅者后释放。

剩余长度(Remaining Length)

位置:byte 1。

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。例如:计算出后面的大小为0

2.2 MQTT可变头 / Variable header

MQTT数据包中包含一个可变头,它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同,较常的应用是做为包的标识:

Bit 7  — 0
byte 1 包标签符(MSB)
byte 2… 包标签符(LSB)

很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段,这些类型的包有:

PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、

SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

2.3 Payload消息体

Payload消息体是MQTT数据包的第三部分,CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体:

CONNECT,消息体内容主要是:客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码

SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。

SUBACK,消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。

UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。

3、环境搭建

介绍完基础理论部分,下面在Windows平台上搭建一个简单的MQTT应用,进行简单的应用,整体架构如下图所示;

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ScRucIVO-1625480723109)(架构图.png)]

3.1 MQTT服务器搭建

目前MQTT代理的主流平台有下面几个:

  • Mosquitto:https://mosquitto.org/
  • VerneMQ:https://vernemq.com/
  • EMQTT:http://emqtt.io/

本文将使用 Mosquitoo 进行测试,进入到安装页面,下载自己电脑的系统所适配的程序;

下载页面

安装成功之后,进入到安装路径下,找到mosquitto.exe;

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YXZupgOv-1625480723111)(image-20210705171401654.png)]

按住Shift,右键鼠标点击空白处,然后打开Powershell,正常打开一个终端软件即可;

  • 输入./mosquitto.exe -h 可以查看相应的帮助;
  • 输入./mosquitto.exe -p 10086,就开启了MQTT服务,监听的地址是127.0.0.1,端口是10086;

具体如下图所示;

3.2 MQTT Client

服务器搭建好了,下面就是开启客户端,进行发布和订阅,这样就可以传输相应的消息。

这里我使用的是自己编译了一个QT mqtt client 程序,是基于Qt的官方库进行编译的,下面打开这个软件,下一期简单介绍一下如何完成这个客户端,并设置好相应参数:

  • 地址:127.0.0.1
  • 端口:10086

然后订阅主题,就可以互相发送数据了,具体如下图所示;

结合前面的图片来看,整体的架构如下所示;

4、总结

本文简单介绍了MQTT协议的工作原理,以及相应的协议格式,简单介绍了协议的一些细节,具体举出了相应的应用场景,作者水平和能力有限,文中难免存在错误和纰漏,请大佬不吝赐教。

本期就到此结束了,我是小麦,我们下期再见。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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