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MQTT的基本介绍

爱coding的李同学 2024-04-28 原文

简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是IBM开发的一个即时通讯协议，是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控制器的通信协议。

MQTT运行于TCP之上，属于应用层协议。

在面板项目中也广泛用到了MQTT协议，接下来将会从三个方面来介绍如何使用MQTT

  • MQTT 的基础知识介绍
  • 使用docker 和docker-compose来搭建MQTT Broker
  • 使用iOS原生App和MQTT Broker进行通信，并透过MQTT Client 模拟发布订阅

MQTT 基础

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

  • 固定报文头(Fixed Header)
    最少有两个字节，第一个字节包含消息的类型(Message Type)和QoS级别等标志位。第二个字节开始是剩余长度字节，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的最大值为0x7F. 也就是127个字节。MQTT协议规定，单个字节的最高位如果是1，表示后续还有字节存在，第八位起延续位的作用。
    由于MQTT协议最多使用四个字节表示剩余长度，并且最后一个字节的最大值只能是0x7F,而不是0xFF。所以能发送的最大消息长度是256MB，而不是512MB。

  • 可变报文头(Variable Header)
    主要包含协议名，协议版本，连接标志，心跳间隔时间，连接返回码，主题名等。

  • 有效负荷
    实际上可以理解为消息的主体。当MQTT发送的消息类型是CONNECT(连接)、PUBLISH(发布)、SUBSCRIBE(订阅)、SUBACK(订阅确认)、UBSUNSCRIBE(取消订阅)时会带有负荷。

MQTT的特性

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，它具有以下主要的几项特性：

  • 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；
  • 对负载内容屏蔽的消息传输；
  • 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；
  • 有三种消息发布服务质量：qos

MQTT消息质量

  • “至多一次”，Qos 0: 消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。
  • “至少一次”，Qos 1: 确保消息到达，但消息重复可能会发生。
  • “只有一次”，Qos 2: 确保消息到达一次。

MQTT遗愿标志

在可变报文头的连接标志位字段(Connect Flags)里面有三个will标志位：Will Flag Will Qos和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。

遗愿消息：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wiwll消息的发送。因此will字段可以应用于设备掉线后通知用户的场景。

MQTT KeepAlive连接保活

MQTT客户端可以设置一个心跳间隔时间(keep Alive Timer)，表示在每个心跳检测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，客户端会发送一个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)个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可以设置为18个小时。

MQTT 用户认证

  • 应用层：MQTT支持客户标识，用户名和密码认证
    客户标识：MQTT客户端可以发送最多65535个字符作为客户标识，一般来说可以使用嵌入式芯片的MAC地址或芯片序列号。
    用户名和密码：支持通过CONNECT消息的username和password字段发送用户名和密码。但是由于是用的明文传输，抓包工具很容易就获取。

  • 传输层：传输层可以使用TLS，除了加密通讯，还可以使用X509证书来认证设备。
    在传输层认证是这样的：MQTT代理在TLS握手成功之后可以继续发送客户端的X509证书来认证设备，如果设备不合法就中断连接。

MQTT 用户数据

MQTT 可以传输如下几种类型数据，JSON数据和十六进制数据是最常用的选择

  • 十六进制/二进制
  • 字符串
  • JSON
  • XML
MQTT的xff0cxffxff0网络物联网网络协议

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