物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT

MQTT(消息隊列遙測傳輸)是ISO 標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。它工作在 TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議，為此，它需要一個消息中間件?。

MQTT是一個基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。由IBM在1999年發(fā)布。MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。如：機器與機器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。其在通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。

MQTT最大優(yōu)點在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。

2.MQTT特點

本協(xié)議運行在 TCP/IP，或其它提供了有序、可靠、 雙向連接的網(wǎng)絡(luò)連接上。MQTT屬于應(yīng)用層協(xié)議，它有以下特點：

使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供了一對多的消息分發(fā)和應(yīng)用之間的解耦。

消息傳輸不需要知道負載內(nèi)容。

提供三種等級的服務(wù)質(zhì)量：
QS0：“最多一次”，盡操作環(huán)境所能提供的最大努力分發(fā)消息。 消息可能會丟失。 例如， 這個等級可用于環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，單 次的數(shù)據(jù)丟失沒關(guān)系， 因為不久之后會再次發(fā)送。

QS1：“至少一次”，保證消息可以到達， 但是可能會重復(fù)。

QS2： “僅一次”， 保證消息只到達一次。 例如， 這個等級可用在一個計費系統(tǒng)中， 這里如果消息重復(fù)或丟失會導(dǎo)致不正 確的收費。很小的傳輸消耗和協(xié)議數(shù)據(jù)交換，最大限度減少網(wǎng)絡(luò)流量。

3.MQTT控制報文

??MQTT 協(xié)議通過交換預(yù)定義的 MQTT 控制報文來通信。MQTT 控制報文由三部分組成：固定報頭(Fixed header)、可變報頭(Variable header)、有效載荷(Payload)。

3.1 固定報頭格式

控制報文類型

3.2 MQTT控制報文類型集標(biāo)志

固定報頭第1個字節(jié)高4位(4 ~ 7)為控制報文類型，一共14個，低4位(0~3)包含每個 MQTT 控制報文類型特定的標(biāo)志，見下表。表中任何標(biāo)記為“保留”的標(biāo)志位，都是保留給以后使用的，必須設(shè)置為表格中列出的值。如果收到非法的標(biāo)志，接收者必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。

??DUP1 =控制報文的重復(fù)分發(fā)標(biāo)志。
??QoS2 = PUBLISH 報文的服務(wù)質(zhì)量等級。
??RETAIN3 = PUBLISH 報文的保留標(biāo)志。
??PUBLISH 控制報文中的 DUP, QoS 和 RETAIN 標(biāo)志。
??詳情參考MQTT3.1協(xié)議。

3.3 剩余長度計算

剩余長度（Remaining Length） 表示當(dāng)前報文剩余部分的字節(jié)數(shù)，包括可變報頭和負載的數(shù)據(jù)。 剩余長度不包括用于編碼剩余長度字段本身的字節(jié)數(shù)。

剩余長度字段使用一個可變長度編碼方案，對小于128的值它使用單字節(jié)編碼。 更大的值按下面的方式處理。低7位有效位用于編碼數(shù)據(jù)8，最高有效位用于指示是否有更多的字節(jié)。 即剩余長度安裝128進制進行計數(shù)，剩余長度字段最大 4 個字節(jié)。

剩余長度字段取值如下：

?剩余長度按128進制計數(shù)，采用16進制方式表示，低字節(jié)在前。剩余長度編碼示例：
①例如64：(64/128)取整=0，說明64不需要進位，1個字節(jié)即可表示，即：0x40;
②例如456：(456/128)取整=3，(3/128)取整=0，說明456需要2個字節(jié)表示。
?第一個字節(jié)bit7=1，(bit0~bit6)=456%128=72=0x48，即第一個字節(jié)表示為：0xc8;
?第二個字節(jié)bit7=3/128=0，(bit0~bit6)=3%128=3，即第二個字節(jié)表示位：0x3;
?綜上，456采用2個字節(jié)表示為：0xc8 0x3;
③例如100000：(100000/128)=781，(781/128)=6，說明100000需要3字節(jié)表示
?第一個字節(jié)bit7=1，(bit0~bit6)=100000%128=0x20，即第一個字節(jié)為0xa0;
?第二個字節(jié)bit7=1，(bit0~bit6)=781%128=0x0d，即第二個字節(jié)為0x8d;
?第三個字節(jié)bit7=0，(bit0~bit6)=6%128=6，即第三個字節(jié)為0x6;
?綜上，100000采用3字節(jié)表示為：0xa0 0x8d 0x6;

3.4 剩余長度計算C語言實現(xiàn)示例

剩余長度編碼

int MQTT_RemainSum(int data,u8 buff[])
{
	int cnt=0;//記錄編碼的字節(jié)數(shù)
	do
	{
		u8 encodedByte = data % 128;
		data/=128;
		if(data>0)
		{
			//若data超過128，則將最最高位置1
			encodedByte=encodedByte|=0x80;
		}
		buff[cnt++]=encodedByte;
		
	}while(data>0);
	return cnt;//返回需要編碼的字節(jié)數(shù)個數(shù)
}

剩余長度解碼

int MQTT_remainGet(u8 buff[],int cnt)
{
	int data=0;
	int i=0;
	int count=1;
	for(;i

測試示例：

int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc!=2)
	{
		printf("格式:./a.out <剩余長度>n");
		return 0;
	}
	int data=atoi(argv[1]);
	u8 buff[4];
	int cnt=MQTT_RemainSum(data,buff);
	for(int i=0;i

4.MQTT消息等級

MQTT提供三種等級的服務(wù)質(zhì)量

QS0：“最多一次”，盡操作環(huán)境所能提供的最大努力分發(fā)消息。 消息可能會丟失。 例如，這個等級可用于環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，單次的數(shù)據(jù)丟失沒關(guān)系， 因為不久之后會再次發(fā)送。

QS1：“至少一次”，保證消息可以到達， 但是可能會重復(fù)。

QS2： “僅一次”， 保證消息只到達一次。 例如， 這個等級可用在一個計費系統(tǒng)中，這里如果消息重復(fù)或丟失會導(dǎo)致不正確的收費。很小的傳輸消耗和協(xié)議數(shù)據(jù)交換，最大限度減少網(wǎng)絡(luò)流量。

??PUBLISH報文不能將 QoS所有的位設(shè)置為1。如果服務(wù)端或客戶端收到QoS所有位都為 1的PUBLISH報文，它必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。

Qos0最多一次

??發(fā)送者 只發(fā)送一次消息，不進行重試。在協(xié)議中也沒有定義重傳的語義。消息可能到達服務(wù)器1次，也可能根本不會到達。

Qos1至少一次

服務(wù)器接收到消息會被確認(rèn)，通過傳輸一個PUBACK信息。如果有一個可以辨認(rèn)的傳輸失敗，無論是通訊連接還是發(fā)送設(shè)備，還是過了一段時間確認(rèn)信息沒有收到，發(fā)送方都會將消息頭的DUP位置1，然后再次發(fā)送消息。消息最少一次到達服務(wù)器。

如果客戶端沒有接收到PUBACK信息（無論是應(yīng)用定義的超時，還是檢測到失敗然后通訊session重啟），客戶端都會再次發(fā)送PUBLISH信息，并且將DUP位置1。

當(dāng)它從客戶端接收到重復(fù)的數(shù)據(jù)，服務(wù)器重新發(fā)送消息給訂閱者，并且發(fā)送另一個PUBACK消息。

? 如上圖所示， Qos1消息等級為了保證至少傳達一次，發(fā)布方會將發(fā)送的消息本地暫存，并且會每隔一段時間重發(fā)一次，直到接收方返回應(yīng)答為止。當(dāng)我們收到應(yīng)答后即可將暫存消息刪除，停止重傳。

對應(yīng)接收方，則需要在每次收到消息后都要回復(fù)應(yīng)答。在上圖中publisher(發(fā)布方)到broker(代理方，服務(wù)器)和broker(代理方，服務(wù)器)到subscriber(訂閱方)是同等的，兩段通信都應(yīng)按以上討論的進行實現(xiàn)。

Qos2僅一次

? QS2消息等級保證消息一定可以到達一次，publisher(發(fā)布方)到broker(代理方，服務(wù)器)和broker(代理方，服務(wù)器)到subscriber(訂閱方)是同等的，兩段通信都是相同等級。具體消息傳輸過程如下：

1.發(fā)布方發(fā)送消息，并將消息內(nèi)容本地暫存。

2.接收方接收到消息內(nèi)容后，將消息內(nèi)容暫存本地，并給發(fā)送方回復(fù)一個應(yīng)答(PUBREC),發(fā)布方在沒有收到PUBREC之前會隔一段時間進行消息重發(fā)一次，以確保消息一定可以送達。

3.當(dāng)發(fā)布方收到PUBREC后，則停止消息重發(fā)，并給接收方發(fā)送釋放(PUBREL)消息內(nèi)容,接收方收到PUBREL后即可確定消息傳輸成功。

4.刪除暫存的消息，之后發(fā)送端每次收到PUBREC都直接發(fā)送一個PUBREL消息給接收端。

5.接收端在收到PUBREL消息后，修改暫存的消息狀態(tài)為發(fā)布完成，停止發(fā)送PUBREC，然后給發(fā)送端發(fā)去一個發(fā)布完成（PUBCOM）的消息。此時接收端則將刪除暫存的消息，之后每次收到PUBREL都直接回復(fù)PUBCOM。

6.發(fā)送端收到PUBCOM，如果發(fā)現(xiàn)暫存的消息還每刪除的話，就刪除暫存消息，如果已經(jīng)刪除了就不管了。

注意：在此過程中本地暫存消息的作用是為了在收到重復(fù)內(nèi)容時可以實現(xiàn)去重，在接收到PUBREL后，就能確定發(fā)送端不再會發(fā)送此消息，所以這個時候就可以刪除暫存消息了，同樣的，發(fā)送端在接收到PUBREC后知道接收端已經(jīng)接收到消息了，所以不必再發(fā)送消息，并且可以刪除暫存了。

審核編輯 黃昊宇