业务之MQTT学习笔记理论篇

最近一直做物联网方面的开发,以下内容关于使用MQTT过程中遇到问题的记录以及需要掌握的机制原理,主要讲解理论。

背景

MQTT是IBM开发的一个即时通讯协议。MQTT构建于TCP/IP协议上,面向M2M和物联网IoT的连接协议,采用轻量级发布和订阅消息传输机制Mosquitto是一款实现了 MQTT v3.1 协议的开源消息代理软件,提供轻量级的,支持发布/订阅的的消息推送模式,使设备对设备之间的短消息通信简单易用。

基本概念

【MQTT协议特点】——相比于RESTful架构的物联网系统,MQTT协议借助消息推送功能,可以更好地实现远程控制。

【MQTT协议角色】——在RESTful架构的物联网系统,包含两个角色客户端和服务器端,而在MQTT协议中包括发布者,代理器(服务器)和订阅者。

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  • 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

  • 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

【MQTT协议消息】——MQTT中的消息可理解为发布者和订阅者交换的内容(负载),这些消息包含具体的内容,可以被订阅者使用。

【MQTT协议主题】——MQTT中的主题可理解为相同类型或相似类型的消息集合。

iOS库

iOS 选择第三方库-github这个内容相对比较详细,目前我是用的MQTTKIT

MQTT机制原理

以下 内容为,我在使用过程中需要掌握的基本知识要点

  • MQTT基于TCP/IP,支持Qos,轻量级的 machine-to-machine*** 应用层协议***.

  • 采用C/S模式,实现发布/订阅机制(publish/subscribe)

  • 使用username / password 登录, clientId作为唯一标示符。使用过程中,如果cliendId 重复,会顶掉前一个使用者,另外 还有权限问题。

  • 主题
    MQTT是通过主题对消息进行分类的,本质上就是一个UTF-8的字符串,不过可以通过反斜杠表示多个层级关系。允许使用通配符订阅主题,但是并不允许使用通配符广播

主题范例
<code>
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
</code>

  • 服务质量QoS

为了满足不同的场景,MQTT支持三种不同级别的服务质量(Quality of Service,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。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

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。即:>=1

级别2:恰好一次。保证这种语义肯定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。

  • 消息体(2个字节)

  • 消息类型

  • 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。

  • RETAIN(保持)

仅针对PUBLISH消息。不同值,不同含义:

1:表示发送的消息需要一直持久保存(不受服务器重启影响),不但要发送给当前的订阅者,并且以后新来的订阅了此Topic name的订阅者会马上得到推送。

备注:新来乍到的订阅者,只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。

0:仅仅为当前订阅者推送此消息。

优势

设计思想是开源、可靠、轻巧、简单,MQTT的传输格式非常精小,最小的数据包只有2个比特,且无应用消息头。MQTT可以保证消息的可靠性,它包括三种不同的服务质量(最多只传一次、最少被传一次、一次且只传一次),如果客户端意外掉线,可以使用“遗愿”发布一条消息,同时支持持久订阅。MQTT在物联网以及移动应用中的优势有:

  • 可靠传输。MQTT可以保证消息可靠安全的传输,并可以与企业应用简易集成。

  • 消息推送。支持消息实时通知、丰富的推送内容、灵活的Pub-Sub以及消息存储和过滤。

  • 低带宽、低耗能、低成本。占用移动应用程序带宽小,并且带宽利用率高,耗电量较少。

参考文档

  1. http://mqtt.org/documentation
    2.https://github.com/softwarefaith/MQTTExplore
    3.https://github.com/jmesnil/MQTTKit
    4.http://www.infoq.com/cn/news/2014/12/mqtt-ibm-iot
    5.http://www.zhihu.com/question/23373904
    6.http://www.xuebuyuan.com/1951015.html
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