工业物联网核心技术——MQTT(一)

  一、MQTT初探

  1. MQTT是什么?

  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,目前最新版本为v3.1.1。MQTT最大的优点在于可以以极少的代码和有限的带宽,为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,MQTT在物联网、小型设备、移动应用等方面有广泛的应用。

  当然,在物联网开发中,MQTT不是唯一的选择,与MQTT互相竞争的协议有XMPP和CoAP协议等,文章末尾会有一个比较和说明。

工业物联网核心技术

  2. MQTT是哪一层的协议?

  众所周知,TCP/IP参考模型可以分为四层:应用层、传输层、网络层、链路层。TCP和UDP位于传输层,应用层常见的协议有HTTP、FTP、SSH等。MQTT协议运行于TCP之上,属于应用层协议,因此只要是支持TCP/IP协议栈的地方,都可以使用MQTT。

  3. MQTT消息格式

  每条MQTT命令消息的消息头都包含一个固定的报头,有些消息会携带一个可变报文头和一个负荷。消息格式如下:

  固定报文头 ;| ;可变报文头 ;| ;负荷 ;

  4. 固定报文头(Fixed Header)

  MQTT固定报文头最少有两个字节,第一字节包含消息类型(Message Type)和QoS级别等标志位。第二字节开始是剩余长度字段,该长度是后面的可变报文头加消息负载的总长度,该字段最多允许四个字节。

  剩余长度字段单个字节最大值为二进制0b0111 1111,16进制0x7F。也就是说,单个字节可以描述的最大长度是127字节。为什么不是256字节呢?因为MQTT协议规定,单个字节第八位(最高位)若为1,则表示后续还有字节存在,第八位起“延续位”的作用。

  例如,数字64,编码为一个字节,十进制表示为64,十六进制表示为0×;40。数字321(65+2*128)编码为两个字节,重要性最低的放在前面,第一个字节为65+128=193(0xC1),第二个字节是2(0x02),表示2×;128。

  由于MQTT协议最多只允许使用四个字节表示剩余长度(如表1),并且最后一字节最大值只能是0x7F不能是0xFF,所以能发送的最大消息长度是256MB,而不是512MB。

工业物联网核心技术(一):MQTT初探

表1

  5. 可变报文头(Variable Header)

  可变报文头主要包含协议名、协议版本、连接标志(Connect Flags)、心跳间隔时间(Keep Alive timer)、连接返回码(Connect Return Code)、主题名(Topic Name)等,后面会针对主要部分进行讲解。

  6. 有效负荷(Payload)

  Payload直译为负荷,可能让人摸不着头脑,实际上可以理解为消息主体(body)。

  当MQTT发送的消息类型是CONNECT(连接)、PUBLISH(发布)、SUBSCRIBE(订阅)、SUBACK(订阅确认)、UNSUBSCRIBE(取消订阅)时,则会带有负荷。

  二、MQTT的主要特性

  1. MQTT的消息类型(Message Type)

  固定报文头中的第一个字节包含连接标志(Connect Flags),连接标志用来区分MQTT的消息类型。MQTT协议拥有14种不同的消息类型(如表2),可简单分为连接及终止、发布和订阅、QoS 2消息的机制以及各种确认ACK。至于每一个消息类型会携带什么内容,这里不多阐述。

工业物联网核心技术(二):MQTT的主要特性

表2

  2. 消息质量(QoS)

  MQTT消息质量有三个等级,QoS 0,QoS 1和 QoS 2。

QoS 0:最多分发一次。消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络,协议里没有定义应答和重试,消息要么只会到达服务端一次,要么根本没有到达。
QoS 1:至少分发一次。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认,如果通信链路或发送设备异常,或者指定时间内没有收到确认消息,发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。
QoS 2:只分发一次。这是最高级别的消息传递,消息丢失和重复都是不可接受的,使用这个服务质量等级会有额外的开销。

  通过下面的例子可以更深刻的理解上面三个传输质量等级。

  比如目前流行的共享单车智能锁,智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器,发送单车的当前位置,如果服务器没收到也没关系,反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置,找到单车后需要进行解锁,这时候可以使用QoS level 1质量消息,手机App不断的发送解锁消息给单车锁,确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后,需要提交付款表单,可以使用QoS level 2质量消息,这样确保只传递一次数据,否则用户就会多付钱了。

  3. 遗愿标志(Will Flag)

  在可变报文头的连接标志位字段(Connect Flags)里有三个Will标志位:Will Flag、Will QoS和Will Retain Flag,这些Will字段用于监控客户端与服务器之间的连接状况。如果设置了Will Flag,就必须设置Will QoS和Will Retain标志位,消息主体中也必须有Will Topic和Will Message字段。

  那遗愿消息是怎么回事呢?服务器与客户端通信时,当遇到异常或客户端心跳超时的情况,MQTT服务器会替客户端发布一个Will消息。当然如果服务器收到来自客户端的DISCONNECT消息,则不会触发Will消息的发送。

  因此,Will字段可以应用于设备掉线后需要通知用户的场景。

  4. 连接保活心跳机制(Keep Alive Timer)

  MQTT客户端可以设置一个心跳间隔时间(Keep Alive Timer),表示在每个心跳间隔时间内发送一条消息。如果在这个时间周期内,没有业务数据相关的消息,客户端会发一个PINGREQ消息,相应的,服务器会返回一个PINGRESP消息进行确认。如果服务器在一个半(1.5)心跳间隔时间周期内没有收到来自客户端的消息,就会断开与客户端的连接。心跳间隔时间最大值大约可以设置为18个小时,0值意味着客户端不断开。

  5. MQTT其他特点

  (1) 异步发布/订阅实现

  发布/订阅模式解耦了发布消息的客户(发布者)与订阅消息的客户(订阅者)之间的关系,这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。

  这个模式有以下好处:

发布者与订阅者只需要知道同一个消息代理即可;
发布者和订阅者不需要直接交互;
发布者和订阅者不需要同时在线。

  由于采用了发布/订阅实现,MQTT可以双向通信。也就是说MQTT支持服务端反向控制设备,设备可以订阅某个主题,然后发布者对该主题发布消息,设备收到消息后即可进行一系列操作。

  (2) 二进制格式实现

  MQTT基于二进制实现而不是字符串,比如HTTP和XMPP都是基于字符串实现。由于HTTP和XMPP拥有冗长的协议头部,而MQTT固定报文头仅有两字节,所以相比其他协议,发送一条消息最省流量。

  接下篇《工业物联网核心技术——MQTT(二)

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