MQTT入门Word格式.docx
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MQTT入门Word格式.docx
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“至少一次”,确保消息到达,但消息重复可能会发生。
“只有一次”,确保消息到达一次。
在一些要求比较严格的计费系统中,可以使用此级别。
在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。
这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送,确保用户收到且只会收到一次。
(5)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。
这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域,传感器与服务器的通信,信息的收集”,要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱,使用这种协议来传递消息再适合不过了。
(6)使用LastWill和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
LastWill:
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:
遗嘱机制,功能类似于LastWill。
四、MQTT协议原理
4.1MQTT协议实现方式
实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成,在通讯过程中,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。
MQTT传输的消息分为:
主题(Topic)和负载(payload)两部分:
(1)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);
(2)payload,可以理解为消息的内容,是指订阅者具体要使用的内容。
4.2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。
4.3MQTT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:
(1)发布其他客户端可能会订阅的信息;
(2)订阅其它客户端发布的消息;
(3)退订或删除应用程序的消息;
(4)断开与服务器连接。
4.4MQTT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:
(1)接受来自客户的网络连接;
(2)接受客户发布的应用信息;
(3)处理来自客户端的订阅和退订请求;
(4)向订阅的客户转发应用程序消息。
4.5MQTT协议中的订阅、主题、会话
一、订阅(Subscription)
订阅包含主题筛选器(TopicFilter)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。
二、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。
三、主题名(TopicName)
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。
四、主题筛选器(TopicFilter)
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。
五、负载(Payload)
消息订阅者所具体接收的内容。
4.6MQTT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。
主要方法有:
(1)Connect。
等待与服务器建立连接。
(2)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。
(3)Subscribe。
等待完成订阅。
(4)UnSubscribe。
等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
(5)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协议数据包结构
在MQTT协议中,一个MQTT数据包由:
固定头(Fixedheader)、可变头(Variableheader)、消息体(payload)三部分构成。
MQTT数据包结构如下:
(1)固定头(Fixedheader)。
存在于所有MQTT数据包中,表示数据包类型及数据包的分组类标识。
(2)可变头(Variableheader)。
存在于部分MQTT数据包中,数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
(3)消息体(Payload)。
存在于部分MQTT数据包中,表示客户端收到的具体内容。
5.1MQTT固定头
固定头存在于所有MQTT数据包中,其结构如下:
5.1.1MQTT数据包类型
位置:
Byte1中bits7-4。
相于一个4位的无符号值,类型、取值及描述如下:
5.1.2标识位
Byte1中bits3-0。
在不使用标识位的消息类型中,标识位被作为保留位。
如果收到无效的标志时,接收端必须关闭网络连接:
(1)DUP:
发布消息的副本。
用来在保证消息的可靠传输,如果设置为1,则在下面的变长中增加MessageId,并且需要回复确认,以保证消息传输完成,但不能用于检测消息重复发送。
(2)QoS:
发布消息的服务质量,即:
保证消息传递的次数
Ø
00:
最多一次,即:
<
=1
01:
至少一次,即:
>
10:
一次,即:
11:
预留
(3)RETAIN:
发布保留标识,表示服务器要保留这次推送的信息,如果有新的订阅者出现,就把这消息推送给它,如果设有那么推送至当前订阅者后释放。
5.1.3剩余长度(RemainingLength)
地址:
Byte2。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的,但不是直接保存的。
这一字节是可以扩展,其保存机制,前7位用于保存长度,后一部用做标识。
当最后一位为1时,表示长度不足,需要使用二个字节继续保存。
例如:
计算出后面的大小为0
5.2MQTT可变头
MQTT数据包中包含一个可变头,它驻位于固定的头和负载之间。
可变头的内容因数据包类型而不同,较常的应用是作为包的标识:
很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段,这些类型的包有:
PUBLISH(QoS>
0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。
5.3Payload消息体
Payload消息体位MQTT数据包的第三部分,包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息:
(1)CONNECT,消息体内容主要是:
客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
(2)SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
(3)SUBACK,消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
(4)UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。
深入浅出MQTT协议
百川来聚
百家号17-11-0922:
18
物联网(InternetofThings,IoT)时代机器之间(Machine-to-Machine,M2M)的大规模沟通需要发布/订阅(Publish/Subscribe)模式,轻量级、易扩展的MQTT(MessageQueuingTelemetryTransport)顺势推进。
MQTT是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议,适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景。
协议就是通信双方的一个约定,即,表示第1位传输的什么、第2位传输的什么……。
固定头(Fixedheader)、可变头(Variableheader)、消息体(payload)三部分构成。
MQTT数据包结构:
固定头部+可变头部+消息体
固定头(Fixedheader),存在于所有MQTT数据包中,表示数据包类型及数据包的分组类标识
可变头(Variableheader),存在于部分MQTT数据包中,数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容
消息体(Payload),存在于部分MQTT数据包中,表示客户端收到的具体内容
MQTT固定头:
Bit7654|3210
byte1MQTT数据包类型|不同类型MQTT数据包的具体标识
byte2…剩余长度
MQTT可变头:
它驻位于固定的头和负载之间。
可变头的内容因数据包类型而不同,较常的应用是做为包的标识:
Bit76543210
byte1包标签符(MSB)
byte2…包标签符(LSB)
Payload消息体位MQTT数据包的第三部分,CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息有消息体:
CONNECT,消息体内容主要是:
SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
SUBACK,消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。
MQTT协议特点:
轻量级的machine-to-machine通信协议。
publish/subscribe模式。
基于TCP/IP。
支持QoS。
适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备、CPU内存资源紧张。
是一种比较不错手机APP消息推送方案。
主题:
1.可以通过反斜杠表示多个层级关系。
2.主题可以通过通配符进行过滤,但是不允许使用通配符广播。
(+可以过滤一个层级,而*只能出现在主题最后表示过滤任意级别的层级)
MQTT支持三种不同级别的服务质量(QualityofService,QoS)为不同场景提供消息可靠性:
级别0:
尽力而为。
消息发送者会想尽办法发送消息,但是遇到意外并不会重试。
级别1:
至少一次。
消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失,消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次,当然可能造成重复消息。
级别2:
恰好一次。
保证这种语义肯待会减少并发或者增加延时,不过丢失或者重复消息是不可接受的时候,级别2是最合适的。
级别2所提供的不重不丢很多情况下是最理想的,不过往返多次的确认一定对并发和延迟带来影响。
消息类型:
CONNECT:
客户端连接到MQTT代理
TCP连接建立完毕后,Client向Server发出一个Request。
如果一段时间内接收不到Server的Response,则关闭socket,重新建立一个session连接。
如果一个ClientID已经与服务器连接,则持有同样ClientID的旧有连接必须由服务器关闭后,新建立才能建立。
CONNACK:
连接确认
PUBLISH:
新发布消息
关于Topic通配符
/:
用来表示层次,比如a/b,a/b/c。
#:
表示匹配>
=0个层次,比如a/#就匹配a/,a/b,a/b/c。
单独的一个#表示匹配所有。
不允许a#和a/#/c。
+:
表示匹配一个层次,例如a/+匹配a/b,a/c,不匹配a/b/c。
单独的一个+是允许的,a+不允许,a/+/b不允许
PUBACK:
新发布消息确认,是QoS1给PUBLISH消息的回复
PUBREC:
QoS2消息流的第一部分,表示消息发布已记录
PUBREL:
QoS2消息流的第二部分,表示消息发布已释放
PUBCOMP:
QoS2消息流的第三部分,表示消息发布完成
QoS=0:
最多一次,有可能重复或丢失。
QoS=1:
至少一次,有可能重复。
Server向Client发布该确认(Client收到确认后删除),订阅者向Server发布确认。
QoS=2:
只有一次,确保消息只到达一次(用于比较严格的计费系统)。
1.Server->
Client发布PUBREC(已收到);
2.Client->
Server发布PUBREL(已释放);
3.Server->
Client发布PUBCOMP(已完成),Client删除msg;
订阅者也会向Server发布类似过程确认。
SUBSCRIBE:
客户端订阅某个主题
SUBACK:
对于SUBSCRIBE消息的确认
UNSUBSCRIBE:
客户端终止订阅的消息
UNSUBACK:
对于UNSUBSCRIBE消息的确认
PINGREQ:
心跳
Client有责任发送KeepAliveTime时长告诉给Server。
在一个时长内,发送PINGREQ,Server发送PINGRES确认。
Server在1.5个时长内未收到PINGREQ,就断开连接。
Client在1个时长内未收到PINGRES,断开连接。
一般来说,时长设置为几个分钟。
最大18hours,0表示一直未断开。
PINGRESP:
确认心跳
DISCONNECT:
客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理
CleanSession
如果为false(flag=0),Client断开连接后,Server应该保存Client的订阅信息。
如果为true(flag=1),表示Server应该立刻丢弃任何会话状态信息。
MQTT提供了多个层次的安全特性:
网络层:
有条件可以通过拉专线或者使用VPN来连接设备与MQTT代理,以提高网络传输的安全性。
传输层:
传输层使用TLS加密是确保安全的一个好手段,可以防止中间人攻击(Man-In-The-MiddleAttack)。
客户端证书不但可以作为设备的身份凭证,还可以用来验证设备。
应用层:
MQTT还提供客户标识(ClientIdentifier)以及用户名密码,在应用层验证设备。
加密:
TLS是非常成熟的安全协议,在握手的时候便可以创建安全连接,使得黑客无法窃听或者篡改内容了。
使用TLS的时候有以下注意点:
1.尽可能使用高版本的TLS。
2.验证X509证书链防止中间人攻击。
3.尽量使用有CA发布的证书。
4.TLS会增加连接时开销,对低运算能力的设备而言是额外的负担,不过如果设备是长连接的话就会避免反复连接的开销。
MQTT支持两种层次的认证:
传输层使用TLS不但可以加密通讯,还可以使用X509证书来认证设备。
MQTT支持客户标识、用户名密码以及X509证书,在应用层验证设备。
mosquitto是一个开源的轻量级的C实现的MQTT代理,完全兼容了MQTT3.1和MQTT3.1.1。
mqtt本身是基于TCP的,但是代理对WebSockets的支持,可以支持http。
Mosquitto原生支持了TLS加密,生成证书后再配置一下MQTT代理即可。
安装mosquitto,mosquitto-clients
源码安装:
wget//mosquitto.org/files/source/mosquitto-1.4.5.tar.gz
tarzxfvmosquitto-1.4.5.tar.gz
cdmosquitto-1.4.5
make
makeinstall
订阅消息:
mosquitto_sub-d-t'
floor-5/temperature'
ReceivedCONNACK
ReceivedSUBACK
Subscribed(mid:
1):
0
发送消息:
mosquitto_pub-d-t'
-m'
15'
SendingPUBLISH(d0,q0,r0,m1,'
...(2bytes))
接收消息:
ReceivedPUBLISH(d0,q0,r0,m0,'
15
SendingPINGREQ
ReceivedPINGRESP
参数:
【-t】指定主题,此处为sensor
【-v】打印更多的调试信息
【-m】指定消息内容
在JAVA环境下:
在Maven中引用MQTT-Client
org.fusesource.mqtt-client
mqtt-client
1.0-SNAPSHOT
fusesource.snapshots
FuseSourceSnapshotRepository
//
true
false
建立连接:
MQTTmqtt=newMQTT();
mqtt.setHost("
localhost"
1883);
或者mqtt.setHost("
tcp:
//localhost:
1883"
);
MQTT设置说明
setClientId:
用于设置客户端会话的ID。
在setCleanSession(false);
被调用时,MQTT服务器利用该ID获得相应的会话。
此ID应少于23个字符,默认根据本机地址、端口和时间自动生成。
setCleanSession:
若设为false,MQTT服务器将持久化客户端会话的主体订阅和ACK位置,默认为true。
setKeepAlive:
定义客户端传来消息的最大时间间隔秒数,服务器可以据此判断与客户端的连接是否已经断开,从而避免TCP/IP超时的长时间等待。
setUserName:
服务器认证用户名。
setPassword:
服务器认证密码。
setWillTopic:
设置“遗嘱”消息的话题,若客户端与服务器之间的连接意外中断,服务器将发布客户端的“遗嘱”消息。
setWillMessage:
设置“遗嘱”消息的内容,默认是长度为零的消息。
setWillQos:
设置“遗嘱”消息的QoS,默认为QoS.ATMOSTONCE。
setWillRetain:
若想要在发布“遗嘱”消息时拥有retain选项,则为true。
MQTT.connectBlocking方法建立并返回一个阻塞API连接。
BlockingConnectionconnection=mqtt.blockingConnection();
connection.connect();
使用publish方法发布消息:
connection.publish("
foo"
"
Hello"
.toBytes(),QoS.AT_LEAST_ONCE,false);
利用subscribe方法订阅多个主题:
Topic[]topics={newTopic("
QoS.AT_LEAST_ONCE)};
byte[]qoses=connection.subscribe(topics);
利用receive和ack方法,获取并应答消息:
Messagemessage=connection.receive();
System.out.println(message.getTopic());
byte[]payload=message.getPayload();
message.ack();
结束连接:
connection.disconnect();
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