MQTT协议-MQTT协议简介及协议原理

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,可以以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。做为一种低开销、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协议运行在TCP/IP或其他网络协议,提供有序、无损、双向连接。其特点包括:

  1. 使用的发布/订阅消息模式,它提供了一对多消息分发,以实现与应用程序的解耦。
  2. 对负载内容屏蔽的消息传输机制。
  3. 对传输消息有三种服务质量(QoS):
    • 最多一次(At most once delivery):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
    • 至少一次(At least once delivery):这一级别会确保消息到达,但消息可能会重复。即:>=1
    • 只有一次(Exactly once delivery):确保消息只有一次到达。即:=1。在一些要求比较严格的计费系统中,可以使用此级别
  4. 数据传输和协议交换的最小化(协议头部只有2字节),以减少网络流量
  5. 通知机制,异常中断时通知传输双方

2. MQTT协议原理

2.1 MQTT协议实现方式

MQTT实现方式

  • 实现MQTT协议需要:客户端服务器端
  • MQTT协议中有三种身份:发布者(Publisher)代理服务器(Broker)订阅者(Subscriber)。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)负载(payload)两部分
    • 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);
    • payload:可以理解为消息的内容,是指订阅者具体要使用的内容

2.2 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。

2.3 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:

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

2.4 MQTT服务器

可以将MQTT服务器称为“消息代理”(Broker),它可以是一个应用程序或一台设备。消息代理位于消息发布者和订阅者之间,它可以:

  • 接受来自客户端的网络连接
  • 接受客户端发布的应用消息
  • 处理来自客户端的订阅和退订请求
  • 向订阅的客户端转发应用程序消息

2.5 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。

  • 主题名(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。

2.6 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。

  • Connect
    等待与服务器建立连接

  • 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

  • Subscribe
    等待完成订阅

  • UnSubscribe
    等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅

  • Publish
    MQTT客户端发送消息请求,发送完成后返回应用程序线程