Linux MQTT智能家居项目（网络基础知识）_家用mqtt

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前言

本篇文章带大家来做一个LinuxMQTT智能家居项目，这个项目将会讲解到网络的基础知识和MQTT协议一些相关的知识。

一、IP和端口的作用

1.IP

IP（Internet Protocol）：
IP是一种网络层协议，它负责在互联网中标识和定位设备。每个连接到互联网的设备，如计算机、服务器、路由器等都拥有一个唯一的IP地址。IP地址由一系列数字表示，例如IPv4使用32位地址，IPv6使用128位地址。
IP地址的作用是用于识别和寻址网络上的设备，类似于人类在现实世界中的地址。它使得在网络上的数据包能够被正确地发送和路由到目标设备。通过IP地址，计算机可以准确地确定数据包的发送和接收位置。

IP地址分为两个主要类型：公网IP和私有IP。公网IP是全球范围内可以访问的地址，用于允许设备与互联网进行通信。私有IP是在私有网络内使用的地址，用于在局域网中进行内部通信。

2.端口

在计算机网络中，端口是用于区分不同应用程序或服务的逻辑门户。每个网络应用或服务都可以通过特定的端口号与网络进行通信。端口号是一个16位的数字，范围从0到65535。

端口分为两种类型：TCP端口和UDP端口。TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）是两种常用的传输层协议。

TCP端口：TCP协议使用端口号来提供面向连接的、可靠的数据传输。常见的应用如Web服务（HTTP使用端口80）、安全网页浏览（HTTPS使用端口443）、邮件传输（SMTP使用端口25）、文件传输（FTP使用端口21）等。

UDP端口：UDP协议使用端口号来提供无连接、不可靠的数据传输。它适用于对速度和实时性要求较高的应用，如实时音视频传输（视频流使用端口号5004和5005）、DNS查询（端口号53）等。

二、路由器的转发作用

在局域网中，连接到同一路由器的各个设备可以通过路由器访问公网。这是因为路由器在局域网和公网之间起到了中继的作用，它具有连接局域网和公网的能力，同时提供网络地址转换（NAT）和端口转发等功能。

这里使用百问网的一张图片：

注意：
公网无法直接访问到局域网中的设备，需要局域网中的设备主动发起连接访问到公网。

原因：

NAT：在一个网络中，公网IP地址是有限且宝贵的资源，而局域网中的设备通常使用私有IP地址（例如，IP地址范围为192.168.x.x或10.x.x.x）来唯一标识自己。当设备从局域网中尝试访问公网时，路由器上的网络地址转换（NAT）会将源IP地址从私有IP地址转换为路由器在公网上分配的公网IP地址。这样做是为了保护局域网中的设备，同时节约公网IP地址的使用。

防火墙：大多数网络都有防火墙保护，包括位于路由器上的防火墙。防火墙起到了保护网络安全的作用，它可以过滤和控制数据包的流动。通常情况下，防火墙会限制从公网到局域网的连接，这样可以阻止未经授权的访问和潜在的安全威胁。

当不同局域网下的设备需要进行通信时，可以通过路由器和服务器进行连接和交互。

需要服务器的原因:

1.网络隔离：不同的局域网通常使用不同的私有IP地址段，并且由于网络安全限制，它们被隔离在各自的局域网中。要实现这些局域网之间的通信，需要一个位于公共互联网上的服务器来连接它们。

2.网络地址转换（NAT）：如果两个局域网具有冲突的IP地址段，即它们使用相同的私有IP地址范围，那么连接它们的设备将无法直接进行通信。此时，服务器可以充当一个NAT设备，通过将源IP地址和目标IP地址转换为适当的地址，实现数据包在不同局域网之间的转发。

3.防火墙和安全策略：通常情况下，网络中会设置防火墙和其他安全策略以保护网络的安全性。这些安全策略可能在不同的局域网之间禁止直接通信。服务器可以配置为遵守网络安全策略，并根据需要进行连接转发和访问控制。

4.特定服务或应用需求：有时，不同的局域网之间需要访问特定的服务或应用程序。服务器可以部署这些服务或应用程序，并作为访问点供不同局域网的设备连接和使用。

三、MQTT概念

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的、开放的、基于发布/订阅模式的消息传输协议，旨在为物联网设备和应用程序提供可靠的通信。
以下是MQTT的一些关键概念：

1.发布/订阅模式：MQTT使用发布/订阅模式，其中设备可以发布（publish）消息到一个主题（topic），其他设备可以订阅（subscribe）这个主题并接收相应的消息。这种模式允许消息在不直接知道接收方身份的情况下进行传输。

2.客户端：MQTT使用客户端/服务器架构。设备或应用程序可以作为客户端连接到MQTT代理（broker），并发布/订阅消息。

3.主题（Topic）：是MQTT消息的目的地或标识符。客户端可以订阅感兴趣的主题，并接收与该主题相关的消息。主题可以是层次结构的，使用斜线（/）进行分隔，例如"home/living-room/temperature"。

4.代理（Broker）：是MQTT网络中的中间件，负责接收发布的消息，并将其传递给相关的订阅客户端。代理是MQTT通信的核心组件，负责路由和转发消息。

5.QoS（Quality of Service）：MQTT提供了三种不同的服务质量等级（QoS）用于消息传递。这些级别是：QoS 0（最多一次），QoS 1（至少一次）和QoS 2（只有一次）。QoS级别决定了消息传递的可靠性和保证。

6.消息保留：MQTT允许发布的消息在代理上保留，这意味着在某个客户端订阅相关主题之前，可以接收到最新的保留消息。

7.清理会话：MQTT客户端可以选择性地建立持久的或非持久的会话。持久会话允许客户端在断开连接后重新连接时保留其订阅状态，而非持久会话则不会保留。

MQTT的轻量级设计使其非常适用于传输小型数据包，对带宽、资源消耗和网络延迟都有较低的要求。因此，MQTT在许多物联网应用中广泛使用，如传感器网络、物联网通信、远程监控等。

总结

了解这些网络的基本知识有助于我们后面对程序的理解。