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【计算机网络】mqtt 通信协议入门（〇）概述

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和 http、smtp 等协议一样，mqtt 也是一种应用层协议，也是基于 TCP 和 IP 协议进行网络通信的，主要应用在物联网领域。最近开发的项目使用到了 mqtt 协议，而且笔者打算在 Linux 下开发一个简陋的 mqtt 通信库，后续甚至可以写一个 mqtt 服务器，借此来复习下 Linux 中的应用层开发。这篇文章先来简单的介绍一下 mqtt 中的关键术语以及客户端-服务器的通信过程。

重复造轮子？

大多数开发人员已经熟悉 HTTP Web 服务。那么为什么不让 IoT 设备连接到 Web 服务？设备可采用 HTTP 请求的形式发送其数据，并采用 HTTP 响应的形式从系统接收更新。这种请求和响应模式存在一些严重的局限性：

  • HTTP 是一种同步协议。客户端需要等待服务器响应，大量设备同时请求并等待会导致服务器压力巨大，。Web 浏览器具有这样的要求，但它的代价是牺牲了可伸缩性。在 IoT 领域，大量设备以及很可能不可靠或高延迟的网络使得同步通信成为问题。异步消息协议更适合 IoT 应用程序。 传感器发送读数，让网络确定将其传送到目标设备和服务的最佳路线和时间。

  • HTTP 是单向的。客户端必须发起连接，而无法直接接收网络命令。在 IoT 应用程序中，设备或传感器通常是客户端，如果使用 http 协议，这意味着它们无法被动地接收来自网络的命令。

  • HTTP 是一种 1对1 协议，将消息传送到网络上所有设备很困难。客户端发出请求，服务器进行响应。将消息传送到网络上的所有设备上，不但很困难，而且成本很高，而这是 IoT 应用程序中的一种常见使用情况。

  • HTTP 是一种有许多报头和规则的重量级协议。它不适合受限的网络。

那么，MQTT 为什么如此轻量且灵活？

因为MQTT 协议的一个关键特性是发布和订阅模型。与所有消息协议一样，它将数据的发布者与使用者分离。

下面是一个典型的 mqtt 协议网络拓扑：

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角色

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。

客户端 Client

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）建立连接（connect ）到服务器端。

  • 2） 发布（publish）主题应用消息给其它相关的客户端。

  • 3） 订阅（subscribe）主题以请求接受相关的应用消息

  • 4） 取消订阅（unsubscribe）以移除接受应用消息的请求。

  • 5） 从服务端断开连接（disconnect）。

服务端 Server

一个程序或设备，作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端之间的中介。服务端可以

  • 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客户端订阅。

通信流程

  • 1） 启动服务器代理。
  • 2） 订阅者向服务器代理订阅相关主题。
  • 3） 发布者向服务器代理发布主题信息。
  • 4） 服务器代理像所有订阅该主题的订阅者推送消息。

术语

应用消息 Application Message

MQTT 协议通过网络传输应用数据。应用消息通过 MQTT 传输时，它们关联服务质量（QoS）和主题（Topic）

主题 Topic

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。

会话（Session）

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。

服务质量等级 （QoS）

MQTT 按照服务质量 (QoS) 等级分发应用消息，客户端和服务端既可以是发送者也可以是接收者，而且分发规则只关注从单个发送者到单个接收者的应用消息。

  • QoS0：最多分发一次，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。

  • QoS1：服务质量确保消息至少送达一次，接收者会发送响应 ACK，发送者会重试未确认的报文。

  • QoS2：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。

后续学习中我们会再继续深入学习服务质量等级

主题过滤器（Topic Filter）

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

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。

控制报文（MQTT Control Packet）：

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。

参考资料：