[網路程式設計]mqtt概念&資料包

李柱明發表於2021-07-10
程式設計MQQT

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前言

本筆記記錄 MQTT 相關概念。

原文：李柱明部落格：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14994943.html

1. MQTT 簡介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是執行在 TCP/IP 中的應用層協議，主流依賴於 TCP 協議。（也有依賴於 UDP 的）
特點：

  1. 開放訊息協議，簡單易實現。
  2. 釋出訂閱模式，一對多訊息釋出。
  3. 基於TCP/IP網路連線,提供有序，無損，雙向連線。
  4. 1位元組固定報頭，2位元組心跳報文，最小化傳輸開銷和協議交換，有效減少網路流量。
  5. 訊息QoS支援，可靠傳輸保證。

特性：

  1. 使用釋出/訂閱訊息模式，提供一對多的訊息釋出，解除應用程式耦合。
  2. 對負載內容遮蔽的訊息傳輸。
  3. 使用TCP/IP提供網路連線。
  4. 有三種訊息釋出服務質量：
    1. QoS0：最多傳送一次訊息，在訊息傳送出去後，接收者不會傳送回應，傳送者也不會重發訊息。
    2. QoS1：最少傳送一次訊息（訊息最少需要送達一次，也有可送達多次），QoS 1的PUBLISH報文的可變報頭中包含一個報文識別符號，需要PUBACK報文確認。即需要接收者返回PUBACK應答報文。
    3. QoS2：這是最高等級的服務質量，訊息丟失和重複都是不可接受的，只不過使用這個服務質量等級會有額外的開銷。
  5. 小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是2位元組），協議交換最小化，以降低網路流量。
  6. 使用Last Will和Testament特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制：
    • Last Will：即遺言機制，用於通知同一主題下的其他裝置傳送遺言的裝置已經斷開了連線。
    • Testament：遺囑機制，功能類似於Last Will。

2. MQTT 通訊模型

通訊模型：

2.1 MQTT 協議

MQTT 協議中有三種身份：

  • 釋出者（Publish）：客戶端。訊息釋出者也可以同時是訂閱者。
  • 伺服器（Broker）：服務端。
  • 訂閱者（Subscribe）：客戶端。

MQTT 傳輸的訊息分為：主題（Topic）和負載（payload）：

  • Topic：可以理解為訊息的型別，訂閱者訂閱（Subscribe）後，就會收到該主題的訊息內容（payload）。
    • 釋出者與訂閱者可以通過主題名字進行匹配的。
  • payload：可以理解為訊息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

2.2 MQTT 協議中的訂閱&主題&會話

訂閱（Subscription）：

  • 訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS）。
  • 訂閱會與一個會話（Session）關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

會話（Session）：

  • 每個客戶端與伺服器建立連線後就是一個會話，客戶端和伺服器之間有狀態互動。
  • 會話存在於一個網路之間，也可能在客戶端和伺服器之間跨越多個連續的網路連線。

主題名（Topic Name）：

  • 連線到一個應用程式訊息的標籤，該標籤與伺服器的訂閱相匹配。
  • 伺服器會將訊息傳送給訂閱所匹配標籤的每個客戶端。

主題篩選器（Topic Filter）：

  • 一個對主題名萬用字元篩選器，在訂閱表示式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。

負載（Payload）：

  • 訊息訂閱者所具體接收的內容。

2.3 MQTT 協議中的方法

主要方法有：

  • Connect：等待與伺服器建立連線。
  • Disconnect：等待MQTT客戶端完成所做的工作，並與伺服器斷開TCP/IP會話。
  • Subscribe：等待完成訂閱。
  • UnSubscribe：等待伺服器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。
  • Publish：MQTT客戶端傳送訊息請求，傳送完成後返回應用程式執行緒。

3. MQTT 協議資料包結構

一個MQTT資料包由三部分組成：

  • 固定報頭（Fixed header）：表示資料包型別及資料包的分組類標識。
  • 可變報頭（Variable header）：資料包型別決定了可變頭是否存在及其具體內容。
  • 有效載荷（payload）：表示客戶端收到的具體內容。

3.1 固定報頭

固定報頭組成：

控制報文的型別 [7:4]：

  • 4 bit，共16種。（0、15被系統保留了）
型別 值 說明
Reserved 0 系統保留
CONNECT 1 客戶端請求連線服務端
CONNACK 2 連線報文確認
PUBLISH 3 釋出訊息
PUBACK 4 訊息釋出收到確認（QoS 1）
PUBREC 5 釋出收到（QoS2）
PUBREL 6 釋出釋放（QoS2）
PUBCOMP 7 訊息釋出完成（QoS2）
SUBSCRIBE 8 客戶端訂閱請求
SUBACK 9 訂閱請求報文確認
UNSUBSCRIBE 10 客戶端取消訂閱請求
UNSUBACK 11 取消訂閱報文確認
PINGREQ 12 心跳請求
PINGRESP 13 心跳響應
DISCONNECT 14 客戶端斷開連線
Reserved 15 系統保留

控制報文型別的標誌位 [3:0]：

  • 目前除了 PUBLISH型別報文 以外，其他報文的標誌位均為系統保留。
  • PUBLISH型別報文的標誌位：
    • bit3：控制報文的重複分發標誌（DUP）。
    • bit2-bit1：服務質量等級。
      • 00：QoS0。
      • 01：QoS1。
      • 10：QoS2。
      • 11：預留。
    • bit0：PUBLISH 報文的保留標誌。

剩餘長度：（第二byte開始）

  • 用於記錄剩餘報文長度的，表示當前的訊息剩餘的位元組數。包括可變報頭和有效載荷區域（如果存在），但剩餘長度不包括用於編碼剩餘長度欄位本身的位元組數。
  • 剩餘長度使用變長編碼方案：（大端模式）
    • 每個位元組的 [bit7] 表示剩餘長度是否還有更多位元組表示。
      • 0：無。即是本位元組為最後也給位元組標識。
      • 1：有。
    • 每個位元組的 [6:0]bit 表示編碼資料長度。
    • 如：127：只需要一個位元組即可：0x7F。128：需要兩個位元組：0x80、0x01。

3.2 可變報頭

只有某些MQTT報文才有可變報頭。
位於固定報頭和有效負載之間。
可變報頭的內容會根據報文型別的不同而有所不同。

3.3 有效載荷

有效載荷也是存在與某些報文中，不同的報文有效載荷也是不一樣的。

Payload有效載荷位於MQTT資料包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種型別的訊息：

  • CONNECT：主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及使用者名稱和密碼。
  • SUBSCRIBE：是一系列的要訂閱的主題以及QoS。
  • SUBACK：是伺服器對於SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回覆。
  • UNSUBSCRIBE：是要訂閱的主題。

參考

連結：

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