MQTT协议，终于有人讲清楚了_mqtt协议

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/false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

QoSQuality 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	值	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

3.1 MQTT服务器搭建

目前MQTT代理的主流平台有下面几个

• Mosquittohttps://mosquitto.org/

• VerneMQhttps://vernemq.com/

• EMQTThttp://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

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。

—— The End ——

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