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MQTT协议

MQTT轻量发布订阅消息协议

概览

MQTT是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议,专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计。
MQTT官网: http://mqtt.org

特点

  1. 1.
    开放消息协议,简单易实现
  2. 2.
    发布订阅模式,一对多消息发布
  3. 3.
    基于TCP/IP网络连接
  4. 4.
    1字节固定报头,2字节心跳报文,报文结构紧凑
  5. 5.
    消息QoS支持,可靠传输保证

应用

MQTT协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。
  1. 1.
    物联网M2M通信,物联网大数据采集
  2. 2.
    Android消息推送,WEB消息推送
  3. 3.
    移动即时消息,例如Facebook Messenger
  4. 4.
    智能硬件、智能家具、智能电器
  5. 5.
    车联网通信,电动车站桩采集
  6. 6.
    智慧城市、远程医疗、远程教育
  7. 7.
    电力、石油与能源等行业市场

MQTT基于主题(Topic)消息路由

MQTT协议基于主题(Topic)进行消息路由,主题(Topic)类似URL路径,例如:
chat/room/1
sensor/10/temperature
sensor/+/temperature
$SYS/broker/metrics/packets/received
$SYS/broker/metrics/#
主题(Topic)通过’/’分割层级,支持’+’, ‘#’通配符:
'+': 表示通配一个层级,例如a/+,匹配a/x, a/y
'#': 表示通配多个层级,例如a/#,匹配a/x, a/b/c/d
订阅者与发布者之间通过主题路由消息进行通信,例如采用mosquitto命令行发布订阅消息:
mosquitto_sub -t a/b/+ -q 1
mosquitto_pub -t a/b/c -m hello -q 1
订阅者可以订阅含通配符主题,但发布者不允许向含通配符主题发布消息。

MQTT V3.1.1协议报文

报文结构

固定报头(Fixed header)
可变报头(Variable header)
报文有效载荷(Payload)

固定报头

Bit
7
6
5
4
3
2
1
0
byte1
MQTT Packet type
Flags
byte2...
Remaining Length

报文类型

类型名称
类型值
报文说明
CONNECT
1
发起连接
CONNACK
2
连接回执
PUBLISH
3
发布消息
PUBACK
4
发布回执
PUBREC
5
QoS2消息回执
PUBREL
6
QoS2消息释放
PUBCOMP
7
QoS2消息完成
SUBSCRIBE
8
订阅主题
SUBACK
9
订阅回执
UNSUBSCRIBE
10
取消订阅
UNSUBACK
11
取消订阅回执
PINGREQ
12
PING请求
PINGRESP
13
PING响应
DISCONNECT
14
断开连接

PUBLISH发布消息

PUBLISH报文承载客户端与服务器间双向的发布消息。 PUBACK报文用于接收端确认QoS1报文,PUBREC/PUBREL/PUBCOMP报文用于QoS2消息流程。

PINGREQ/PINGRESP心跳

客户端在无报文发送时,按保活周期(KeepAlive)定时向服务端发送PINGREQ心跳报文,服务端响应PINGRESP报文。PINGREQ/PINGRESP报文均2个字节。

MQTT消息QoS

MQTT发布消息QoS保证不是端到端的,是客户端与服务器之间的。订阅者收到MQTT消息的QoS级别,最终取决于发布消息的QoS和主题订阅的QoS。
发布消息的QoS
主题订阅的QoS
接收消息的QoS
0
0
0
0
1
0
0
2
0
1
0
0
1
1
1
1
2
1
2
0
0
2
1
1
2
2
2

Qos0消息发布订阅

Qos1消息发布订阅

Qos2消息发布订阅

MQTT会话(Clean Session)

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时,可以通过’Clean Session’标志设置会话。
‘Clean Session’设置为0,表示创建一个持久会话,在客户端断开连接时,会话仍然保持并保存离线消息,直到会话超时注销。
‘Clean Session’设置为1,表示创建一个新的临时会话,在客户端断开时,会话自动销毁。

MQTT连接保活心跳

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时,通过KeepAlive参数设置保活周期。
客户端在无报文发送时,按KeepAlive周期定时发送2字节的PINGREQ心跳报文,服务端收到PINGREQ报文后,回复2字节的PINGRESP报文。
服务端在1.5个心跳周期内,既没有收到客户端发布订阅报文,也没有收到PINGREQ心跳报文时,主动心跳超时断开客户端TCP连接。

MQTT遗愿消息(Last Will)

MQTT客户端向服务器端CONNECT请求时,可以设置是否发送遗愿消息(Will Message)标志,和遗愿消息主题(Topic)与内容(Payload)。
MQTT客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送DISCONNECT消息),MQTT消息服务器会发布遗愿消息。

MQTT保留消息(Retained Message)

MQTT客户端向服务器发布(PUBLISH)消息时,可以设置保留消息(Retained Message)标志。保留消息(Retained Message)会驻留在消息服务器,后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息。
例如mosquitto命令行发布一条保留消息到主题’a/b/c’:
mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m 'hello'
之后连接上来的MQTT客户端订阅主题’a/b/c’时候,仍可收到该消息:
$ mosquitto_sub -t a/b/c -q 1
hello
保留消息(Retained Message)有两种清除方式:
  1. 1.
    客户端向有保留消息的主题发布一个空消息:
    mosquitto_pub -r -q 1 -t a/b/c -m ''
  2. 2.
    消息服务器设置保留消息的超期时间。

MQTT WebSocket连接

MQTT协议除支持TCP传输层外,还支持WebSocket作为传输层。通过WebSocket浏览器可以直连MQTT消息服务器,发布订阅模式与其他MQTT客户端通信。
MQTT协议的WebSocket连接,必须采用binary模式,并携带子协议Header:
Sec-WebSocket-Protocol: mqttv3.1 或 mqttv3.1.1

MQTT协议客户端库

Eclipse Paho客户端库

mqtt.org官网客户端库

MQTT与XMPP协议对比

MQTT协议设计简单轻量、路由灵活,将在移动互联网物联网消息领域,全面取代PC时代的XMPP协议:
  1. 1.
    MQTT协议一个字节固定报头,两个字节心跳报文,报文体积小编解码容易。XMPP协议基于繁重的XML,报文体积大且交互繁琐。
  2. 2.
    MQTT协议基于主题(Topic)发布订阅模式消息路由,相比XMPP基于JID的点对点消息路由更为灵活。
  3. 3.
    MQTT协议未定义报文内容格式,可以承载JSON、二进制等不同类型报文。XMPP协议采用XML承载报文,二进制必须Base64编码等处理。
  4. 4.
    MQTT协议支持消息收发确认和QoS保证,XMPP主协议并未定义类似机制。MQTT协议有更好的消息可靠性保证。