MQTT系列 | MQTT的基础概念

MQTT 的全称为 Message Queue Telemetry Transport(消息队列遥测传输协议),是在 1999 年,由 IBM 的 Andy Stanford-Clark 和 Arcom 的 Arlen Nipper 为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求,MQTT 协议在设计之初就包含了以下一些特点:

  1. 实现简单
  2. 提供数据传输的 QoS
  3. 轻量、占用带宽低
  4. 可传输任意类型的数据
  5. 可保持的会话(session)

之后 IBM 一直将 MQTT 作为一个内部协议在其产品中使用,直到 2010 年,IBM 公开发布了 MQTT 3.1 版本。在 2014 年,MQTT 协议正式成为了 OASIS(结构化信息标准促进组织)的标准协议。简单地来说MQTT协议具有以下特性:

  • 基于 TCP 协议的应用层协议;
  • 采用 C/S 架构;
  • 使用订阅/发布模式,将消息的发送方和接受方解耦;
  • 提供 3 种消息的 QoS(Quality of Service): 至多一次,最少一次,只有一次;
  • 收发消息都是异步的,发送方不需要等待接收方应答。

下文将从以下四个方面对MQTT的基础概念进行介绍:

  • MQTT 协议的通信模型
  • MQTT Client
  • MQTT Broker
  • MQTT协议数据包

1. MQTT 协议的通信模型

MQTT 的通信是通过发布/订阅的方式来实现的,订阅和发布又是基于主题(Topic)的。发布方和订阅方通过这种方式来进行解耦,它们没有直接地连接,它们需要一个中间方。在 MQTT 里面我们称之为 Broker,用来进行消息的存储和转发。一次典型的 MQTT 消息通信流程如下所示:

  1. 发布方(Publisher)连接到Broker;
  2. 订阅方(Subscriber)连接到Broker,并订阅主题Topic1;
  3. 发布方(Publisher)发送给Broker一条消息,主题为Topic1;
  4. Broker收到了发布方的消息,发现订阅方(Subscriber)订阅了Topic1,然后将消息转发给订阅方(Subscriber);
  5. 订阅方从Broker接收该消息;

MQTT通过订阅与发布模型对消息的发布方和订阅方进行解耦后,发布方在发布消息时并不需要订阅方也连接到Broker,只要订阅方之前订阅过相应主题,那么它在连接到Broker之后就可以收到发布方在它离线期间发布的消息。我们可以称这种消息为离线消息。

在该通信模型中,有两组身份需要区别:

  • 一组是发布方Publisher和订阅方Subscriber
  • 另一组是发送方Sender和接收方Receiver

1.1. Publisher和Subscriber

publisher和subscriber是相对于Topic来说的身份,如果一个Client向某个Topic发布消息,那么这个Client就是publisher;如果一个Client订阅了某个Topic,那么它就是Subscriber。

1.2. Sender和Receiver

Sender和Receiver则是相对于消息传输方向的身份。当publisher向Broker发送消息时,那么此时publisher是sender,Broker是receiver;当Broker转发消息给subscriber时,此时Broker是sender,subscriber是receiver。

2. MQTT Client

Publisher 和 Subscriber 都属于 Client,Pushlisher 或者 Subscriber 只取决于该 Client 当前的状态——是在发布消息还是在订阅消息。当然,一个 Client 可以同时是 Publisher 和 Subscriber。client的范围很广,任何终端、嵌入式设备、服务器只要运行了MQTT的库或者代码,都可以称为MQTT Client。MQTT Client库很多语言都有实现,可以在这个网址中找到:MQTT Client库大全

3. MQTT Broker

MQTT Broker负责接收Publisher的消息,并发送给相应的Subscriber,是整个MQTT 订阅/发布的核心。现在很多云服务器提供商都有提供MQTT 服务,比如阿里云、腾讯云等。当然我们自己也可以搭建一个MQTT Broker,个人倾向于使用 mosquitto来搭建自己的MQTT Broker。mosquitto官方网址

4. MQTT协议数据包

MQTT 协议数据包的消息格式为:固定头|可变头|消息体

由下面三个部分组成:

  • 固定头(Fixed header):存在于所有的MQTT数据包中,用于表示数据包类型及对应标志、数据包大小等;
  • 可变头(Variable header):存在于部分类型的MQTT数据包中,具体内容是由相应类型的数据包决定的;
  • 消息体(Payload):存在于部分的MQTT数据包中,存储消息的具体数据。

4.1. 固定头

固定头格式:

固定头的第一个字节的高4位Bit用于表示该数据包的类型,MQTT的数据包有以下一些类型:

名称 方向 描述
Reserved 0 不可用 保留位
CONNECT 1 Client 到 Broker Client 请求连接到 Broker
CONNACK 2 Broker 到 Client 连接确认
PUBLISH 3 双向 发布消息
PUBACK 4 双向 发布确认
PUBREC 5 双向 发布收到
PUBREL 6 双向 发布释放
PUBCOMP 7 双向 发布完成
SUBSCRIBE 8 Client 到 Broker Client 请求订阅
SUBACK 9 Broker 到 Client 订阅确认
UNSUBSCRIBE 10 Client 到 Broker Client 请求取消订阅
UNSUBACK 11 Broker 到 Client 取消订阅确认
PINGREQ 12 Client 到 Broker PING 请求
PINGRESP 13 Broker 到 Client PING 应答
DISCONNECT 14 Client 到 Broker Client 主动中断连接
Reserved 15 不可用 保留位

低4位Bit则用于表示数据包的Flag,不同的数据包类型,Flag的定义不同,每种数据包对应的Flag如下:

数据包 标识位 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
CONNECT 保留位 0 0 0 0
CONNACK 保留位 0 0 0 0
PUBLISH MQTT 3.1.1 使用 DUP QoS QoS RETAIN
PUBACK 保留位 0 0 0 0
PUBREC 保留位 0 0 0 0
PUBREL 保留位 0 0 0 0
PUBCOMP 保留位 0 0 0 0
SUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
SUBACK 保留位 0 0 0 0
UNSUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
UNSUBACK 保留位 0 0 0 0
PINGREQ 保留位 0 0 0 0
PINGRESP 保留位 0 0 0 0
DISCONNECT 保留位 0 0 0 0

从固定头的第2字节开始是用于表示MQTT数据包剩余长度的字段,最少一个字节,最大四个字节。每一个字节的低7位用于标识值,范围为0~127。最高的1位是标识位,用来说明是否有后续字节来标识长度。标识为0,代表没有后续字节;标识为1,代表后续还有一个字节用于标识包的长度。MQTT协议相应字节数对应的最小、最大包长度如下表所示:

字节数 最小包长度(除固定头外) 最大包长度(除固定头外)
1 0字节(0x00) 127字节(0x7F)
2 128字节(0x80,0x01) 16 383字节(0xFF,0x7F)
3 16 384字节(0x80,0x80,0x01) 2 097 151字节(0xFF,0xFF,0x7F)
4 2 097 152字节(0x80,0x80,0x80,0x01) 268 435 455字节(0xFF,0xFF,0xFF,0x7F)

可知MQTT协议中数据包(除固定头外)的最大长度为268435455 字节,约 256M。

注意:上述的剩余长度不包含固定头的大小,是指后面的可变报文头加消息体的总长度

4.2. 可变头

可变报文头主要包含协议名、协议版本、连接标志(Connect Flags)、心跳间隔时间(Keep Alive timer)、连接返回码(Connect Return Code)、主题名(Topic Name)等,后面会针对此部分进行具体讲解。

4.3. 消息体

当MQTT发送的消息类型是CONNECT(连接)、PUBLISH(发布)、SUBSCRIBE(订阅)、SUBACK(订阅确认)、UNSUBSCRIBE(取消订阅)时,则会带有负荷。

5. 发布订阅实验演示

本实验中演示使用的Broker是mosquitto,mosquitto具体的安装步骤不再阐述,可自行搜索安装教程。下面按照MQTT 协议的通信模型中所提到的流程对发布和订阅这种模式进行一个直观的演示:

  • 第一步:启动Broker

  • 第二步:subscriber订阅相应的Topic

​ 如图所示,通过mosquitto_sub命令向Broker订阅了名为test的Topic,运行Broker的终端界面也打印了相关的 订阅信息。

  • 第三步:publisher发布相应Topic的消息

如图所示,通过mosquitto_pub命令向主题名为test的发布了两条消息,这时候订阅方(即运行mosquitto_sub命令的终端页面)收到了发布的消息。Broker输出的信息为处理的过程:

  1. publisher连接到Broker
  2. Broker回复了一个CONNACK数据包给publisher
  3. Broker从publisher那收到了PUBLISH数据包
  4. Broker将其PUBLISH数据包转发给subscriber
  5. Broker收到了publisher发来的DISCONNECT数据包,然后断开了连接。
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