物联网协议漫谈 04

前段时间，咱们对物联网协议进行了一个较为全面的综述介绍，其中通讯协议主要负责终端设备通过互联网进行数据交换及通信，基本上都是应用层协议，主要包括 AMQP、XMPP、JMS、REST/HTTP、COAP、DDS 和 MQTT 这七种。今天我们就来聊聊其中应用较为广泛的 MQTT。

因为旨在知识原理普及，所以我们的闲聊不涉及代码层面。

1 综述

MQTT 是一个客户端服务端架构的，发布/订阅模式的，实现消息传输的应用层协议。该协议构建于 TCP/IP 协议上，由 IBM 在 1999 年发布。MQTT 最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

MQTT 协议当前最新版本是 v3.1.1，该版本于 2015 年 10 月最后更新。除标准版外，还有一个简化版 MQTT-SN，该协议主要针对嵌入式设备。

MQTT 协议运行在 TCP/IP 或其他网络协议的基础上，提供有序、无损、双向连接。其特点包括：

（1）使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。

（2）对负载内容屏蔽的消息传输机制。

（3）对传输消息有三种服务质量（QoS）：

— QoS 0 最多一次，消息的分发依赖于底层网络的能力。接收者不会发送响应，发送者也不会重试。消息可能送达一次也可能根本没送达。所以这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：

— QoS 1 至少一次，服务质量确保消息至少送达一次。QoS 1 的报文需要确认。所以这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>= 1；

— QoS 2 恰好一次，这是最高等级的服务质量，消息丢失和重复都是不可接受的。使用这个服务质量等级会有额外的开销，但能够确保消息恰好只有一次到达。即：＝1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别；

（4）数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有 2 字节），以减少网络流量。

（5）通知机制，异常中断时通知传输双方。

2 MQTT 实现原理

2.1 网络连接基础（客户端到服务器端）

MQTT 协议要求基础传输层能够提供有序的、可靠的、双向传输（从客户端到服务端和从服务端到客户端）的字节流。这里使用的传输层协议是 TCP/IP 协议，同时也支持 TLS 和 WebSocket 协议；但是不支持无连接的网络传输协议，如：UDP 协议，因为他们可能会丢失数据包或对数据包重排序。

2.2 应用数据的传输

MQTT 协议通过网络传输应用数据。有三种角色参与应用数据通过 MQTT 的传输：

（1）发布者（Publish）

（2）代理（Broker）（服务器）

（3）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）主题 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，即负载 payload。

（2）负载 payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

2.3 客户端 Client

可以理解为使用 MQTT 的程序或设备。客户端总是通过网络连接到服务端。它可以：

（1）发布应用消息给其它相关的客户端。

（2）订阅以请求接受相关的应用消息。

（3）取消订阅以移除接受应用消息的请求。

（4）从服务端断开连接。

2.4 服务端 Server

作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端之间的中介服务器或者程序。服务端：

（1）接受来自客户端的网络连接。

（2）接受客户端发布的应用消息。

（3）处理客户端的订阅和取消订阅请求。

（4）转发应用消息给符合条件的已订阅客户端。

2.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话等概念

（1）订阅 Subscription

订阅包含一个主题过滤器（Topic Filter）和一个最大的服务质量（QoS）等级。订阅与单个会话（Session）关联。会话可以包含多于一个的订阅。会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

（2）主题名 Topic Name

即附加在应用消息上的一个标签，服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

（3）主题过滤器 Topic Filter

即订阅中包含的一个表达式，用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符。

（4）会话 Session

即客户端和服务端之间的状态交互。一些会话持续时长与网络连接一样，另一些可以在客户端和服务端的多个连续网络连接间扩展。

（5）控制报文 MQTT Control Packet

即通过网络连接发送的信息数据包。MQTT 规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH报文）用于传输应用消息。