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電子工程網(wǎng)

標(biāo)題: MQTT 協(xié)議是什么? [打印本頁]

作者: 洞察基    時間: 2022-7-22 15:12
標(biāo)題: MQTT 協(xié)議是什么?
隨著 5G 時代的來臨,萬物互聯(lián)的偉大構(gòu)想正在成為現(xiàn)實。聯(lián)網(wǎng)的 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 在 2018 年已經(jīng)達(dá)到了 70 億1,在未來兩年,僅智能水電氣表就將超過10億2。
海量的設(shè)備接入和設(shè)備管理對網(wǎng)絡(luò)帶寬、通信協(xié)議以及平臺服務(wù)架構(gòu)都帶來了很大挑戰(zhàn)。對于 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 來說,必須針對性地解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信的幾個關(guān)鍵問題:其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜而不可靠、其內(nèi)存和閃存容量小、其處理器能力有限。
MQTT 協(xié)議 是基于發(fā)布/訂閱模式的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,憑借簡單易實現(xiàn)、支持 QoS、報文小等特點,占據(jù)了物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的半壁江山:
MQTT 協(xié)議的誕生
MQTT was created by Andy Stanford-Clark of IBM, and Arlen Nipper (then of Arcom Systems, later CTO of Eurotech).3
據(jù) Arlen Nipper 在一 IBM Podcast 上的自述,MQTT 原名是 MQ TT, 注意 MQ 與 TT之間的空格,其全稱為: MQ Telemetry Transport,是九十年代早期,他在參與 Conoco Phillips 公司的一個原油管道數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)(pipeline SCADA system)時,開發(fā)的一個實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。它的目的在于讓傳感器通過帶寬有限的 VSAT ,與 IBM 的 MQ Integrator 通信。由于 Nipper 是遙感和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控專業(yè)出身,所以按業(yè)內(nèi)慣例給了個 MQ TT 的名字。
MQTT 協(xié)議設(shè)計原則
按照 Nipper 的介紹,MQTT 必須簡單容易實現(xiàn),必須支持 QoS(設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜),必須輕量且省帶寬(因為那時候帶寬很貴),必須數(shù)據(jù)無關(guān)(不關(guān)心 Payload 數(shù)據(jù)格式),必須有持續(xù)地會話感知能力(時刻知道設(shè)備是否在線)。下面將介紹 MQTT (3.1.1 版本) 的幾個核心特色,分別對應(yīng)了這幾個設(shè)計原則的實現(xiàn)。
靈活的發(fā)布訂閱和主題設(shè)計
發(fā)布訂閱模式是傳統(tǒng) Client/Server 模式的一種解耦方案。發(fā)布者通過 Broker 與消費者之間通信,Broker 的作用是將收到的消息通過某種過濾規(guī)則,正確地發(fā)送給消費者。發(fā)布/訂閱模式 相對于 客戶端/服務(wù)器模式 的好處在于:
在 MQTT 協(xié)議里,上面提到的 過濾規(guī)則 是 Topic。比如:所有發(fā)布到 news 這個 Topic 的消息,都會被 Broker 轉(zhuǎn)發(fā)給已經(jīng)訂閱了 news 的訂閱者:
上圖中訂閱者預(yù)先訂閱了 news,然后發(fā)布者向 Broker 發(fā)布了一條消息 "some msg" 并指定發(fā)布到 news 主題,Broker 通過 Topic 匹配,決定將這條消息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱者。
MQTT 的 Topic 有層級結(jié)構(gòu),并且支持通配符 + 和 #:
MQTT 的主題是不要預(yù)先創(chuàng)建的,發(fā)布者發(fā)送消息到某個主題、或者訂閱者訂閱某個主題的時候,Broker 就會自動創(chuàng)建這個主題。
帶寬消耗最小化
MQTT 協(xié)議將協(xié)議本身占用的額外消耗最小化,消息頭部最小只需要占用 2 個字節(jié)。
MQTT 的消息格式分三部分:
固定長度頭部,2 個字節(jié),所有消息類型里都有
可變長度頭部,只有某些消息類型里有
Payload,只有某些消息類型里有
MQTT 的主要消息類型有:
其中 PINGREQ / PINGRESP 和 DISCONNECT 報文是不需要可變頭部的,也沒有 Payload,也就是說它們的報文大小僅僅消耗 2 個字節(jié)。
在 CONNECT 報文的可變長度頭部里,有個 Protocol Version 的字段。為了節(jié)省空間,只有一個字節(jié)。所以版本號不是按照字符串 "3.1.1" 存放的,而是使用數(shù)字 4 來表示 3.1.1 版本。
三個可選的 QoS 等級
為適應(yīng)設(shè)備不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,MQTT 設(shè)計了 3 個 QoS 等級,0, 1, 2:
QoS 0 是一種 "fire and forget" 的消息發(fā)送模式:Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 發(fā)送一條消息之后,就不再關(guān)心它有沒有發(fā)送到對方,也不設(shè)置任何重發(fā)機制。
QoS 1 包含了簡單的重發(fā)機制,Sender 發(fā)送消息之后等待接收者的 ACK,如果沒收到 ACK 則重新發(fā)送消息。這種模式能保證消息至少能到達(dá)一次,但無法保證消息重復(fù)。
QoS 2 設(shè)計了略微復(fù)雜的重發(fā)和重復(fù)消息發(fā)現(xiàn)機制,保證消息到達(dá)對方并且嚴(yán)格只到達(dá)一次。
會話保持
MQTT 沒有假設(shè)設(shè)備或 Broker 使用了 TCP 的;顧C制4,而是設(shè)計了協(xié)議層的;顧C制:在 CONNECT 報文里可設(shè)置 Keepalive 字段,來設(shè)置;钚奶 PINGREQ/PINGRESP 的發(fā)送時間間隔。當(dāng)長時間無法收到設(shè)備的 PINGREQ 的時候,Broker 就會認(rèn)為設(shè)備已經(jīng)下線。
總的來說,Keepalive 有兩個作用:
對于那些想要在重新上線后,重新收到離線期間錯過的消息的設(shè)備,MQTT 設(shè)計了持久化連接:在 CONNECT 報文里可設(shè)置 CleanSession 字段為 False,則 Broker 會為終端存儲:
在線狀態(tài)感知
MQTT 設(shè)計了遺愿(Last Will) 消息,讓 Broker 在發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常下線的情況下,幫助設(shè)備發(fā)布一條遺愿消息到指定的主題。
實際上在某些 MQTT 服務(wù)器的實現(xiàn)里 (比如 EMQX),設(shè)備上線或下線的時候 Broker 會通過某些系統(tǒng)主題發(fā)布設(shè)備狀態(tài)更新,更符合實際應(yīng)用場景。
開源 MQTT 服務(wù)器如何選擇
到目前為止,比較流行的開源 MQTT 服務(wù)器有幾個:
從支持 MQTT 5.0、穩(wěn)定性、擴展性、集群能力等方面考慮,EMQX 的表現(xiàn)應(yīng)該是最好的:
MQTT 協(xié)議快速體驗MQTT 在線服務(wù)器
EMQX MQTT 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù) 提供了一個在線的公共 MQTT 5.0 服務(wù)器,不需要任何安裝您就可以快速開始 MQTT 協(xié)議的學(xué)習(xí)、測試或原型制作。
該 MQTT 服務(wù)器的詳細(xì)接入信息請見 EMQ 官網(wǎng)頁面:免費的在線 MQTT 服務(wù)器。
MQTT 在線客戶端
EMQ 也提供了支持瀏覽器訪問的 MQTT 在線客戶端工具,該工具支持通過普通或者加密的 WebSocket 端口連接至 MQTT 服務(wù)器,同時也支持緩存連接方便下次訪問使用。
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