MQTT 协议概述

概述


MQTT是IBM开发的一个即时通讯协议,有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台,几乎可以把所有联网物品和外部连接起来,被用来当做传感器和制动器之间通信的桥梁。

MQTT协议是为大量计算能力有限,且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议。有以下特点:

  • 使用发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布
  • 使用TCP/IP提供网络连接
  • 小型传输,开销很小(固定长度的头部是 2 字节),协议交换最小化,以降低网络流量,传输的内容最大为256MB。
  • 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

1.MQTT协议实现方式


MQTT系统由与服务器通信的客户端组成,通常称服务器为“代理Broker”。客户可以是信息发布者Publish或订阅者Subscribe。每个客户端都可以连接到代理。

信息按主题层次结构组织。当发布者具有要分发的新数据时,它会将包含数据的控制消息发送到连接的代理。然后,代理将信息分发给已订阅该主题的任何客户端。发布者不需要有关于订阅者数量或位置的任何数据,而订阅者又不必配置有关发布者的任何数据。

MQTT传输的消息分为:主题(Topic)和负载(payload)两部分:
(1)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);
(2)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. MQTT协议中的订阅、主题、会话


2.1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。

2.2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。

2.3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。
系统主题:通过定义$SYS开头的主题可以查看一些系统信息,如客户端连接数量等,
详细介绍:https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/SYS-Topics

2.4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。
多级匹配符 #
单级匹配符 +
更多主题讨论,请移步github wiki https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/topic_format

2.5负载(Payload)

消息订阅者所具体接收的内容。

3.保留消息和最后遗嘱


保留消息 Retained Messages

MQTT中,无论是发布还是订阅都不会有任何触发事件。
1个Topic只有唯一的retain消息,Broker会保存每个Topic的最后一条retain消息。
发布消息时把retain设置为true,即为保留信息。每个Client订阅Topic后会立即读取到retain消息。如果需要删除retain消息,可以发布一个空的retain消息,因为每个新的retain消息都会覆盖最后一个retain消息。

最后遗嘱 Last Will & Testament

MQTT本身就是为信号不稳定的网络设计的,所以难免一些客户端会无故的和Broker断开连接。 当客户端连接到Broker时,可以指定LWT,Broker会定期检测客户端是否有异常。
当客户端异常掉线时,Broker就往连接时指定的topic里推送当时指定的LWT消息。

4.消息服务质量


有三种消息发布服务质量qos(Quality of Service):

4.1“至多一次”

至多一次

消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况,环境传感器数据,丢失一次读记录无所谓,因为不久后还会有第二次发送。

4.2“至少一次”

至少一次

PUBACK消息是对QoS级别为1的PUBLISH消息的响应.PUBACK消息由服务器发送以响应来自发布端的PUBLISH消息,订阅端也会响应来自服务器的PUBLISH消息。当发布端收到PUBACK消息时,它会丢弃原始消息,因为它也被服务器接收(并记录)。

如果一定时间内,发布端或服务器没有收到PUBACK消息,则会进行重发。这种方式虽然确保了消息到达,但消息重复可能会发生。

4.3“只有一次”

只有一次

PUBREC消息是对QoS级别为2的PUBLISH消息的响应。它是QoS级别2协议流的第二个消息。 PUBREC消息由服务器响应来自发布端的PUBLISH消息,或订阅端响应来自服务器的PUBLISH消息。发布端或服务器收到PUBREC消息时,会响应PUBREL消息。

PUBREL消息是从发布端对PUBREC的响应,或从服务器对订阅端PUBREC消息的响应。 这是QoS 2协议流中第三个消息。当服务器从发布者收到PUBREL消息时,服务器会将PUBLISH消息发送到订阅端,并发送PUBCOMP消息到发布端。 当订阅端收到来自服务器的消息PUBREL时,使得消息可用于应用程序并将PUBCOMP消息发送到服务器。

PUBCOMP消息是服务器对来自发布端的PUBREL消息的响应,或订阅者对来自服务器的PUBREL消息的响应。 它是QoS 2协议流程中的第四个也是最后一个消息。当发布端收到PUBCOMP消息时,它会丢弃原始消息,因为它已经将消息发给了服务器。

在一些要求比较严格的计费系统中,可以使用此级别。在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送,确保用户收到且只会收到一次。


附录:各编程语言对MQTT客户端/服务器的实现

Name Language Type Last release License
Adafruit IO Ruby on Rails, Node.js Client 2.0.0 ?
flespi C Broker ? Proprietary License
M2Mqtt C# Client 4.3.0.0 Eclipse Public License 1.0
Machine Head Clojure Client 1.0.0 Creative Commons Attribution 3.0 Unported License
moquette Java Broker 0.10 Apache License 2.0
Mosquitto C, Python Broker and client 1.4.15 Eclipse Public License 1.0, Eclipse Distribution License 1.0 (BSD)
Paho MQTT C, C++, Java, Javascript, Python, Go Client 1.3.0 Eclipse Public License 1.0, Eclipse Distribution License 1.0 (BSD)
SharkMQTT C Client 1.5 Proprietary License
VerneMQ Erlang/OTP Broker 1.4.1 Apache License 2.0
wolfMQTT C Client 0.14 GNU Public License, version 2
MQTTRoute C, Python Broker 1.0 Proprietary License
HiveMQ Java Broker 3.4.0 Proprietary License
SwiftMQ Java Broker 11.1.0 Proprietary License
JoramMQ Java Broker 11.1.0 Proprietary License