mqtt 简介及原理 原创 精华

发布于 2022-5-9 09:59
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作者:庄茂裕

前言

在开发FA的项目时候,发现项目使用到了MQTT协议,这个是啥通讯协议?为啥项目会使用MQTT通讯协议,不使用其他通讯协议呢?下来我们就一起了解下此协议吧!

1. MQTT协议特点

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的,这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下,包括受限的环境中,如:机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)。其在,通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。
MQTT协议当前版本为MQTT5.0,2014年发布的MQTT v3.1.1。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,这些设备一般工作于百TCP/IP网络,如:ZigBee。
MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议,提供有序、无损、双向连接。其特点包括:
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。
对负载内容屏蔽的消息传输机制。
对传输消息有三种服务质量(QoS):
最多一次,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:<=1
至多一次,这一级别会确保消息到达,但消息可能会重复。即:>=1
只有一次,确保消息只有一次到达。即:=1。在一些要求比较严格的计费系统中,可以使用此级别
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
通知机制,异常中断时通知传输双方

2. MQTT协议原理

2.1 MQTT协议实现方式以及项目例子

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。
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

2.1.1 项目例子:

该体系结构图是结合项目画出来的,能很好的描述MQTT在实际运用中的三种身份。马桶设备作为发布者(Publisher),当马桶上有人着座的时候会发布一个带主题(Topic)的消息(例如主题为“toliet_sit”)给服务器(MQTT-Broker),当服务器接收到发布过来的消息后,会进行基于主题的过滤,将消息转发给订阅了该主题的订阅者。 而FA作为订阅者(Subscriber),订阅的主题也是“toliet_sit”,这样就能接收到服务器转发过来的消息,收到消息后在FA应用展示着座状态。
该结构图中的马桶设备和FA应用都是客户端,都可以进行发布和订阅。
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2.2 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。

2.3 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

2.4 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

2.5 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

2.6 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

总结:

MQTT协议是物联网的主流通讯协议,因此有必要对此协议有一定的了解,甚至深入的探索,本文只做了mqtt的介绍,有需要深入了解编码层次的读者,可以访问下面的鸿蒙版的链接:
鸿蒙代码实现链接

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已于2022-5-9 18:39:55修改
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