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。

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百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。

1) 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 PiNAS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:

2) 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。该消息已获取消息 ID。发送方存储消息,直到收到 PUBACK 订阅方的确认 ( )。发件人第一次将重复标志设置为 0 ( DUP = 0 )。QoS 1 告诉目标设备(接收器)需要确认要求。如果消息被正确接收,接收者会发送一个 PUBACK (确认)和正确的消息 ID。但是,如果在没有确认的情况下超过特定时间,则会再次发送消息,这次将重复标志设置为 1 ( DUP = 1 )。同一目标设备可能会多次发生这种情况。此目标设备必须具有必要的逻辑来检测重复项并做出同样的反应。

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。在第一次发送 ( DUP = 0 )之后,发送方重复发送 (( DUP = 1 ) 直到它接收到一个 PUBREC 告诉,该消息已被接收方存储。在第二次交易中,发送方告诉接收方停止传输与 PUBREL (release), clear用于存储的缓冲区并发送一个 PUBCOMP (完成) 发送方确定已成功被目标设备接收一次后,成功传递已发布的 QoS 2 消息。

 

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:

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。

相于一个4位的无符号值,类型如下:

标识位 / DUP

**位置:**byte 1, bits 3-0。

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

  • 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)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:

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

3)Payload 消息体

Payload 消息体位 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;

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:

安装成功之后,进入到安装路径下,找到 mosquitto.exe。

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:

JavaScript 实现页面跳转重定向可以使用以下两种方法:window.location.replace("url")类似 HTTP 重定向将地址替换成新 url,该方法通过指定 URL 替换 ...