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MQTT协议知识梳理,看完你就懂了!_mqtt协议的特点是什么?适用场景包括哪些?

mqtt协议的特点是什么?适用场景包括哪些?

一.MQTT简介

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MQTT是基于TCP/IP协议栈构建的异步通信消息协议,是一种轻量级的发布/订阅信息传输协议。MQTT在时间和空间上,将消息发送者与接受者分离,可以在不可靠的网络环境中进行扩展。 适用于设备硬件存储空间有限或网络带宽有限的场景。物联网平台支持设备使用MQTT协议接入MQTT的特点是可以保持长连接,具有一定的实时性,云端向设备端发送消息,设备端可以在最短的时间内接收到并作出响应,所以MQTT更适合需要实时控制的场合,更适合执行器。要保持长连接,那么就要时不时地发送心跳包,这就不会省电了。所以低功耗的场合并不适合MQTT。MQTT的长连接需要建立在TCP的基础上,TCP协议的复杂性决定了对设备的要求是比较高一些的,相比UDP。

二.MQTT框架图

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三.MQTT特点

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:

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  • 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;

  • 有三种消息发布服务质量:QoS(定阅等级),分0、1、2三个等级,简单来说是等级越高越可靠。

“至多一次”(QoS0):消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况,环境传感器数据,丢失一次读记录无所谓,因为不久后还会有第二次发送。即是推送之后就完事了,至于对方有没有收到,收到是什么,数据有没有丢失,都不管。

“至少一次”(QoS1):确保消息到达,但消息重复可能会发生。即是你收到推送后,你还得返回一个puback给对方,告诉对方收到了,不然对方会以为你没收到,隔一段时间后重新给你推送,直到你给对方返回一个Puback为止。

“只有一次”(QoS2):确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况,在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。

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  • 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;

  • 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will:即遗言机制,用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。Testament:遗言机制,功能类似于Last Will。

MQTT客户端可以注册一个典型的遗愿遗嘱消息,如果它们断开连接,由代理发送。这些消息可以用于向订阅者发出信号,当设备断开连接时。

四.MQTT协议原理

1.MQTT协议实现框图

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2.MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要:客户端和服务器端MQTT协议中有三种身份:发布者(Publish)、代理(Broker)(服务器)、订阅者(Subscribe)。其中,消息的发布者和订阅者都是客户端,消息代理是服务器,消息发布者可以同时是订阅者。

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MQTT传输的消息分为:主题(Topic)和负载(payload)两部分

  • Topic:可以理解为消息的类型,订阅者订阅(Subscribe)后,就会收到该主题的消息内容(payload)。

  • Payload:可以理解为消息的内容,是指订阅者具体要使用的内容。

3.网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输:它将建立客户端到服务器的连接,提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。当应用数据通过MQTT网络发送时,MQTT会把与之相关的服务质量(QoS)和主题名(Topic)相关连。

4.MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备,它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以:

  • 发布其他客户端可能会订阅的信息。

  • 订阅其它客户端发布的消息。

  • 退订或删除应用程序的消息。

  • 断开与服务器连接。

5.MQTT服务器

MQTT服务器以称为“消息代理”(Broker),可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间,它可以:

  • 接受来自客户的网络连接。

  • 接受客户发布的应用信息。

  • 处理来自客户端的订阅和退订请求。

  • 向订阅的客户转发应用程序消息。

6.MQTT协议中的订阅、主题、会话

  • 订阅(Subscription)

订阅包含主题筛选器(Topic Filter)和最大服务质量(QoS)。订阅会与一个会话(Session)关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

  • 会话(Session)

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话,客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间,也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

  • 主题名(Topic Name)

连接到一个应用程序消息的标签,该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

  • 主题筛选器(Topic Filter)

一个对主题名通配符筛选器,在订阅表达式中使用,表示订阅所匹配到的多个主题。

  •  负载(Payload)

消息订阅者所具体接收的内容。

7.MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法(也被称为动作), 来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据,这取决于服务器的实现。通常来说,资源指服务器上的文件或输出。

  • Connect:等待与服务器建立连接。

  • Disconnect:等待MQTT客户端完成所做的工作,并与服务器断开TCP/IP会话。

  • Subscribe:等待完成订阅。

  • UnSubscribe:等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。

  • Publish:MQTT客户端发送消息请求,发送完成后返回应用程序线程。

五.MQTT优缺点

1.优点

  • 适用于受限网络的轻量级。

  • 灵活选择具有给定功能的服务质量。

  • 由OASIS技术委员会标准化。

  • 实施简单快捷。

  • 协议简洁轻巧,数据冗余量低。并且支持的设备从智能硬件到智能手机无所不包。MQTT协议的优势是可以支持所有平台,它几乎可以把所有的联网物品和互联网连接起来。特别适合于网络代价昂贵,带宽低、不可靠的环境。能在处理器和内存资源有限的嵌入式设备中运行

2.缺点

  • 由于基于TCP的连接,功耗很高。

  • 缺乏加密。

  • 服务器端实现难度大,虽然已经有了C++版本的服务端组件,但是并不开源,而且在推送

六、MQTT应用场景

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