Linux--MQTT简介

一、简介

MQTT （ Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）， 是一种基于客户端服务端架构的发布/订阅模式的消息传输协议。
与 HTTP 协议一样， MQTT 协议也是应用层协议，工作在 TCP/IP 四层模型中的最上层（应用层），构建于 TCP/IP 协议上。MQTT 最大 优点 在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

二、MQTT****的主要特性

MQTT 协议是为工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备之间的通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：
①、使用发布 / 订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
②、基于 TCP/IP 提供网络连接。
主流的 MQTT 是基于 TCP 连接进行数据推送的，但是同样也有基于 UDP 的版本，叫做 MQTT-SN 。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。
③、支持 QoS 服务质量等级。
根据消息的重要性不同设置不同的服务质量等级。
④、小型传输，开销很小，协议交换最小化，以降低网络流量。
因为它开销小，所占带宽低的特性，所以适合在算力小，资源少的嵌入式设备上。
⑤、使用 will 遗嘱机制来通知客户端异常断线。
⑥、基于主题发布 / 订阅消息，对负载内容屏蔽的消息传输。
⑦、支持心跳机制。

三、开销小、带宽消耗少的原因

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的发布/订阅消息传输协议，专为低带宽、不稳定网络环境设计。它的开销小、带宽需求低的原因有以下几点：

1. 头部结构简洁

• 固定头部：MQTT 的固定头部只有2字节，包括消息类型和标志位。对于一些简单的消息类型（例如 PINGREQ 或 DISCONNECT），固定头部就足够了，不需要额外的可变头部或负载。
• 可变头部和负载：仅在需要时才添加，不必要时省略。这减少了数据包的总大小。

2. 协议设计轻量化

• 简单的操作码：MQTT 的操作码和控制字段设计简单，减少了解析和处理的复杂度。
• 低开销的消息格式：消息格式紧凑，有效载荷不包含冗余信息。仅在需要时才传输必要的数据。

3. 发布/订阅模型

• 异步通信：发布/订阅模型允许设备在有数据时才发送消息，无需保持长时间的连接，减少了不必要的数据传输和带宽占用。
• 减少点对点连接：一个消息发布到主题，多个订阅者可以接收，避免了多个点对点连接，减少了网络流量。

4. 保持连接机制

• 心跳包（Keep Alive）：通过心跳包机制保持连接，不频繁建立和断开连接，减少了 TCP 连接建立和断开的开销。
• PINGREQ 和 PINGRESP：用于保持连接的消息很小，仅有固定头部。

5. QOS（Quality of Service）等级

• QOS 0：最多一次传输，不需要确认，最小带宽消耗。
• QOS 1：至少一次传输，需要确认，带宽消耗适中。
• QOS 2：仅一次传输，最高保证，需要两阶段确认，带宽消耗相对较高。
• 按需选择：用户可以根据应用需求选择合适的 QOS 等级，优化带宽使用。

6. 保留消息和遗嘱消息

• 保留消息：服务器保留最新的消息，新的订阅者一连接就能收到，无需发送多个请求。
• 遗嘱消息：客户端异常断开时，服务器自动发布预设的遗嘱消息，无需额外的检测和重连开销。

7. 小型消息体

• 适用于小型消息：MQTT 适合小型消息传输，通常用于传感器数据、状态更新等小型数据包。
• 减少数据量：通过小型数据包传输，减少了整体数据量和带宽占用。

四、补充（心跳包）

心跳包（Keep Alive）机制是 MQTT 协议的一项重要特性，用于保持客户端和服务器之间的连接。以下是对这项机制的详细解释：

心跳包机制的工作原理

1. Keep Alive 时间间隔：

   • 在 MQTT 连接建立时，客户端和服务器约定一个时间间隔，称为 Keep Alive 时间间隔（以秒为单位）。
   • 在这个时间间隔内，如果客户端没有向服务器发送任何消息，则必须发送一个 PINGREQ（心跳请求）消息。

2. PINGREQ 和 PINGRESP：

   • PINGREQ：客户端发送的心跳请求消息，通知服务器客户端仍然在线。
   • PINGRESP：服务器收到 PINGREQ 后，发送回客户端的响应，确认连接正常。

作用

• 保持连接活跃：

  • 即使客户端没有实际数据要发送，心跳包也可以确保连接不被服务器认为已断开。
  • 这对于长时间空闲但需要保持连接的设备非常重要，例如 IoT 设备。

• 检测连接状态：

  • 如果服务器在 Keep Alive 时间内未收到任何消息，包括 PINGREQ，则认为客户端已断开连接，可以采取相应的措施（例如发布遗嘱消息）。
  • 同样，客户端如果在合理时间内未收到服务器的 PINGRESP，可以认为连接出现问题，尝试重连。

优势

• 减少频繁的连接建立和断开：

  • TCP 连接的建立和断开是一个耗时且资源消耗较大的过程。
  • 通过保持长时间的稳定连接，而不是频繁建立和断开连接，可以显著减少网络资源的开销。

• 高效的带宽利用：

  • 心跳包非常小，通常只有固定的 2 字节头部，几乎不会占用带宽。
  • 通过这种方式保持连接，比重新建立连接所消耗的带宽要少得多。

• 提高实时性：

  • 保持连接的状态，使得客户端和服务器之间的通信可以在需要时立即进行，而不需要等待重新建立连接的时间。

示例

假设一个 IoT 设备需要每小时发送一次数据到服务器，而在其他时间段保持连接：

1. 设备与服务器约定 Keep Alive 时间间隔为 60 秒。
2. 每隔 60 秒设备发送一个 PINGREQ，服务器响应 PINGRESP。
3. 设备在每小时的数据发送前不需要重新建立连接，可以立即发送数据。

通过这种方式，设备和服务器保持了一个稳定的连接，减少了频繁的连接建立和断开操作，降低了网络开销和资源消耗。

五、MQTT版本

目前 MQTT 主流版本有两个，分别是 MQTT3.1.1 和 MQTT5 。 MQTT3.1.1 是在 2014 年 10 月发布的，而 MQTT5 是在 2019 年 3 月发布的。虽然 MQTT3.1.1 与 MQTT5 在时间相差了将近五年，但是 MQTT3.1.1作为一个经典的版本，目前仍然是主流版本，能够满足大部分实际需求。
MQTT5 是在 MQTT3.1.1 的基础上进行了升级，因此 MQTT5 是完全兼容 MQTT3.1.1 的。而 MQTT5 是在 MQTT3.1.1 的基础上添加了更多的功能、补充完善 MQTT 协议。

MQTT 5.0 是在 MQTT 3.1.1 的基础上进行扩展和改进的版本，它添加了许多新的功能和特性，使协议更加完善和灵活。以下是对 MQTT 5.0 新增功能和改进的详细解释：

新增功能和改进

1. 属性（Properties）

   • 在 MQTT 5.0 中，每个 MQTT 控制报文（例如 CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE 等）可以携带一组属性。这些属性提供了额外的元数据，可以用于控制消息的行为、传递额外的信息等。
   • 例如，PUBLISH 报文可以包含消息过期间隔（Message Expiry Interval）、内容类型（Content Type）等属性。

2. 改进的错误报告

   • MQTT 5.0 引入了更多的返回码，使得错误报告更加具体和详细。
   • 客户端和服务器可以在不同情况下返回不同的错误码，帮助诊断和处理错误。

3. 共享订阅（Shared Subscriptions）

   • 支持多个客户端共享一个订阅。这对于负载均衡非常有用，消息可以分发到多个订阅者中，而不是每个订阅者都接收到相同的消息。

4. 会话过期间隔（Session Expiry Interval）

   • 允许客户端在断开连接后指定会话的过期间隔。在指定的时间内，客户端可以重新连接并恢复之前的会话状态（如订阅和未传递的消息）。

5. 消息过期间隔（Message Expiry Interval）

   • 消息可以设置一个过期间隔。如果消息在这个时间内没有被传递，消息将被丢弃。这对于时间敏感的消息非常有用。

6. 请求/响应模式（Request/Response Pattern）

   • 支持直接在 MQTT 协议中实现请求/响应模式，客户端可以请求并等待响应，而不是单纯的发布和订阅。

7. 用户属性（User Properties）

   • 允许用户在消息中添加自定义属性。这些属性可以包含任何用户定义的键值对，提供了更大的灵活性。

8. 流量控制（Flow Control）

   • 引入了流量控制机制，通过设置最大消息量（Maximum Packet Size）和请求限速（Request Rate Limiting）来管理和控制消息的流量，防止网络拥塞和过载。

9. 增强的订阅选项（Subscription Options）

   • 订阅选项更加丰富，例如可以设置是否保留消息（Retain Handling）、指定的 QOS 等级等。

10. 断开连接原因码（Disconnect Reason Codes）

    • 当客户端或服务器断开连接时，可以提供具体的断开原因码，帮助诊断和处理连接问题。

举例说明

假设有一个 IoT 环境中的温度传感器网络，MQTT 5.0 的一些新特性可以提供以下优势：

1. 属性（Properties）：

   • 在发布温度数据时，传感器可以在 PUBLISH 报文中包含内容类型（例如 application/json）和消息过期间隔（例如 60 秒）。

2. 改进的错误报告：

   • 如果订阅失败，服务器可以返回详细的错误码，说明订阅失败的具体原因。

3. 共享订阅：

   • 多个监控系统客户端可以共享一个温度数据的订阅，服务器将消息负载均衡到各个监控客户端。

4. 会话过期间隔：

   • 当传感器设备临时掉线后重新连接，可以恢复之前的会话状态，而不需要重新订阅所有主题。

5. 请求/响应模式：

   • 监控系统可以请求某个传感器的数据，并在同一连接上接收到响应，而不是通过发布/订阅方式间接获取数据。

总结

MQTT 5.0 在 MQTT 3.1.1 的基础上增加了许多新功能和改进，使协议更加灵活、健壮和适应现代物联网应用的需求。这些改进包括属性机制、改进的错误报告、共享订阅、会话和消息的过期间隔、用户自定义属性、流量控制、增强的订阅选项以及具体的断开原因码等。通过这些特性，MQTT 5.0 提供了更强的可扩展性和可管理性，适用于更加复杂和多样化的应用场景。