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计算机网络编程MQTT协议

程序员cxuan   2022-05-24 我要评论

之前有位读者给我留言说想要了解一下什么是 MQTT 协议,顺便还把我夸了一把,有点不好意思啦。

那么读者的要求必须要满足啊,所以现在 @一下这位小姐姐,来听课啦!

什么是 MQTT 协议

MQTT 协议的全称是 Message Queuing Telemetry Transport,翻译为消息队列传输探测,它是 ISO 标准下的一种基于发布 - 订阅模式的消息协议,它是基于 TCP/IP 协议簇的,它是为了改善网络设备硬件的性能和网络的性能来设计的。MQTT 一般多用于 IoT 即物联网上,广泛应用于工业级别的应用场景,比如汽车、制造、石油、天然气等。

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在了解了 MQTT 的概念和应用场景后,我们下来就来走进 MQTT 的学习中了,先来看一下 MQTT 有哪些概念。

MQTT 基础

上面我们解释了 MQTT 协议的基本概念,MQTT 协议总结一点就是一种轻量级的二进制协议,MQTT 协议与 HTTP 相比具有一个明显的优势:数据包开销较小,数据包开销小就意味着更容易进行网络传输。还有一个优势就是 MQTT 在客户端容易实现,而且具有易用性,非常适合当今资源有限的设备。

你可能对这些概念有些讳莫如深,为什么具有 xxx 这种特性呢?这就需要从 MQTT 的设计说起了。

MQTT 协议由 Andy Stanford-Clark (IBM) 和 Arlen Nipper(Arcom,现为 Cirrus Link)于 1999 年发明。 他们需要一种通过卫星连接石油管道的协议,以最大限度地减少电池损耗和带宽。所以他们为这个协议规定了几种要求:

  • 这个协议必须易于实现;
  • 这个协议中的数据必须易于传输,消耗成本小;
  • 这个协议必须提供服务质量管理;
  • 这个协议必须支持连续的会话控制
  • 假设数据不可知,不强求传输数据的类型与格式,保持灵活性。

这些设计也是 MQTT 的精髓所在,MQTT 经过不断的发展,已经成为了物联网 IoT 所必备的一种消息探测协议,官方强烈推荐使用的版本是 MQTT 5。

发布 - 订阅模式

发布 - 订阅模式我相信接触消息中间件架构的同学都听过,这是一种传统的客户端 - 服务器架构的替代方案,因为一般传统的客户端-服务器是客户端能够直接和服务器进行通信。

但是发布 - 订阅模式 pub/sub就不一样了,发布订阅模式会将发送消息的发布者 publisher与接收消息的订阅者 subscribers进行分离,publisher 与 subscribers 并不会直接通信,他们甚至都不清楚对方是否存在,他们之间的交流由第三方组件 broker 代理。

pub/sub 最重要的方面是 publisher 与 subscriber 的解藕,这种耦合度有下面三个维度:

  • 空间解耦:publisher 与 subscriber 并不知道对方的存在,例如不会有 IP 地址和端口的交互,也更不会有消息的交互。
  • 时间解藕:publisher 与 subscriber 并不一定需要同时运行。
  • 同步 Synchronization 解藕:两个组件的操作比如 publish 和 subscribe 都不会在发布或者接收过程中产生中断。

总之,发布/订阅模式消除了传统客户-服务器之间的直接通信,把通信这个操作交给了 broker 进行代理,并在空间、时间、同步三个维度上进行了解藕。

可拓展性

pub/sub 比传统的客户端-服务器模式有了更好的拓展,这是由于 broker 的高度并行化,并且是基于事件驱动的模式。可拓展性还体现在消息的缓存和消息的智能路由,还可以通过集群代理来实现数百万的连接,使用负载均衡器将负载分配到更多的单个服务器上,这就是 MQTT 的深度应用了。

你可能不明白什么是事件驱动,我在这里解释下事件驱动的概念。

事件驱动是一种编程范式,编程范式是软件工程中的概念,它指的是一种编程方法或者说程序设计方式,比如说面向对象编程和面向过程编程就是一种编程范式,事件驱动中的程序流程会由诸如用户操作(点击鼠标、键盘)、传感器输出或者从其他程序或传递的消息事件决定。事件驱动编程是图形用户界面和其他应用程序比如 Web 中使用的主要范式,这些应用程序能够响应用户输入执行某些操作为中心,这同时也适用于驱动程序的编程。

消息过滤

在 pub/sub 的架构模式中,broker 扮演着至关重要的作用,其中非常重要的一点就是 broker 能够对消息进行过滤,使每个订阅者只接收自己感兴趣的消息。

broker 有几个可以过滤的选项

基于主题的过滤

MQTT 是基于 subject 的消息过滤的,每条消息都会有一个 topic ,接收客户端会向 borker 订阅感兴趣的 topic,订阅后,broker 就会确保客户端收到发布到 topic 中的消息。

基于内容的过滤

在基于内容的过滤中,broker 会根据特定的内容过滤消息,接受客户端会经过过滤他们感兴趣的内容。这种方法的一个显著的缺点就是必须事先知道消息的内容,不能加密或者轻易修改。

基于类型的过滤

在使用面向对象的语言时,基于消息(事件)的类型过滤是一种比较常见的过滤方式。

为了发布/订阅系统的挑战,MQTT 具有三个服务质量级别,你可以指定消息从客户端传到 broker 或者从 broker 传到客户端,在 topic 的订阅中,会存在 topic 没有 subscriber 订阅的情况,作为 broker 必须知道如何处理这种情况。

MQTT 与消息队列的区别

我们现在知道,MQTT 是一种消息队列传输探测协议,这种协议是看似是以消息队列为基础,但却与消息队列有所差别。

在传统的消息队列模式中,一条消息会存储在消息队列中等待被消费,每个传入的消息都存储在消息队列中,直到它被客户端(通常称之为消费者)所接收,如果没有客户端消费消息的话,这条消息就会存在消息队列中等待被消费。但是在消息队列中,不会存在消息没有客户端消费的情况,但是在 MQTT 中,确存在 topic 无 subscriber 订阅的情况。

在传统的消息队列模式中,一条消息只能被一个客户端所消费,负载会分布在队列的每个消费者之间;而在 MQTT 中,每个订阅者都会受到消息,每个订阅者有相同的负载。

在传统的消息队列模式中,必须使用单独的命令来显式创建队列,只有队列创建后,才可以生产或者消费消息;而在 MQTT 中,topic 比较灵活,可以即时创建。

HiveMQ 现在是开源的,HiveMQ 社区版实现了 MQTT broker 规范,并兼容了 MQTT 3.1、3.1.1 和 MQTT 5。HiveMQ MQTT Client 是一个基于 Java 的 MQTT 客户端实现,兼容 MQTT 3.1.1 和 MQTT 5。这两个项目都可以在 HiveMQ 的 github https://github.com/hivemq 上找到。

我们知道,broker 将 publisher 和 subscriber 进行分离,因此客户端的连接由 broker 代理,所以在我们深入理解 MQTT 之前,我们需要先知道客户端和代理的含义。

MQTT 重要概念

MQTT client

当我们讨论关于客户端的概念时,一般指的就是 MQTT Client,publisher 和 subscriber 都属于 MQTT Client。之所以有发布者和订阅者这个概念,其实是一种相对的概念,就是指当前客户端是在发布消息还是在接收消息,发布和订阅的功能也可以由同一个 MQTT Client 实现。

MQTT 客户端是指运行 MQTT 库并通过网络连接到 MQTT broker 的任何设备,这些设备可以从微控制器到成熟的服务器。基本上,任何使用 TCP/IP 协议使用 MQTT 设备的都可以称之为 MQTT Client。MQTT 协议的客户端实现非常简单直接。易于实施是 MQTT 非常适合小型设备的原因之一。 MQTT 客户端库可用于多种编程语言。 例如,Android、Arduino、C、C++、C#、Go、iOS、Java、JavaScript 和 .NET。

MQTT broker

与 MQTT client 对应的就是 MQTT broker,broker 是任何发布/订阅机构的核心,根据实现的不同,代理可以处理多达数百万连接的 MQTT client。

broker 负责接收所有消息,过滤消息,确定是哪个 client 订阅了每条消息,并将消息发送给对应的 client,broker 还负责保存会话数据,这些数据包括订阅的和错过的消息。broker 还负责客户端的身份验证和授权。

MQTT Connection

MQTT 是基于 TCP/IP 协议基础之上的,所以 MQTT 的 client 和 broker 都需要 TCP/IP 协议的支持。

MQTT 的连接总是在 client 和 broker 之间进行,client 和 client 之间并不会相互连接。如果要发起连接的话,那么 client 就会向 broker 发起 CONNECT 消息,代理会使用 CONNACK 消息和状态码进行响应。一旦 client 和 broker 的连接建立后,broker 就会使客户端的连接一直处于打开状态,直到 client 发出断开命令或者连接中断。

消息报文

MQTT 的消息报文主要分为 CONNECT 和 CONNACK 消息。

CONNECT

我们上面提到了为了初始化连接,需要 client 向 broker 发送 CONNECT 消息,如果这个 CONNECT 消息格式错误或者打开套接字(因为基于 TCP/IP 协议栈需要初始化 Socket 连接)时间过长,亦或是发送连接消息时间过长的话,broker 就会关闭这条连接。

一个 MQTT 客户端发送一条 CONNECT 连接,这条 CONNECT 连接可能会包含下面这些信息:

我这里解释一下这些信息都是什么概念

ClientId:显而易见,这个就是每个客户端的 ID 标识,也就是连接到 MQTT broker 的每个 client。这个 ID 应该是每个 client 和 broker 唯一的,如果你不需要 broker 持有状态的话,你可以发送一个空的 ClientId,空的 ClientId 会没有任何状态。在这种情况下,ClientSession 需要设置为 true,否则将会拒绝连接。

clientSession 是什么我们下面会说。

CleanSession:CleanSession 会话标志会告诉 broker client 是否需要建立持久会话。在持久会话 (CleanSession = false)中,broker 存储 client 的所有订阅以及服务质量(Qos) 是 1 或 2 订阅的 client 的所有丢失的消息。如果会话不是持久的(CleanSession = true),那么 broker 则不会为 client 存储任何内容并且会清除先前持久会话中的所有信息。

Username/Password :MQTT 会发送 username 和 password 进行 client 认证和授权。如果此信息没有经过加密或者 hash ,那么密码将会以纯文本的形式发送。所以,一般强烈建议 username 和 password 要经过加密安全传输。像 HiveMQ 这样的 broker 可以与 SSL 证书进行身份验证,因此不需要用户名和密码。LastWillxxx :LastWillxxx 表示的是遗愿,client 在连接 broker 的时候将会设立一个遗愿,这个遗愿会保存在 broker 中,当 client 因为非正常原因断开与 broker 的连接时,broker 会将遗愿发送给订阅了这个 topic(订阅遗愿的 topic)的 client。

keepAlive:keepAlive 是 client 在连接建立时与 broker 通信的时间间隔,通常以秒为单位。这个时间指的是 client 与 broker 在不发送消息下所能承受的最大时长。

在聊完 client 与 broker 之间发送建立连接的 CONNECT 消息后,我们再来聊一下 broker 需要对 CONNECT 进行确认的 CONNACK 消息。

CONNACK

当 broker 收到 CONNECT 消息时,它有义务回复 CONNACK 消息进行响应。CONNACK 消息包括两部分内容

SessionPresent:会话当前标识,这个标志会告诉 client 当前 broker 是否有一个持久性会话与 client 进行交互。SessionPresent 标志和 CleanSession 标志有关,当 client 在 CleanSession 设置为 true 的情况下连接时,SessionPresent 始终为 false,因为没有持久性会话可以使用。如果 CleanSession 设置为 false,则有两种可能性,如果 ClientId 的会话信息可用,并且 broker 已经存储了会话信息,那么 SessionPresent 为 true,否则如果没有 ClientId 的任何会话信息,那么 SessionPresent 为 false。

ReturnCode:CONNACK 消息中的第二个标志是连接确认标志。这个标志包含一个返回码,告诉客户端连接尝试是否成功。连接确认标志有下面这些选项。

关于每个连接的详细说明,可以参考

https://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html#_Toc398718035

消息类型

发布

当 MQTT client 在连接到 broker 之后就可以发送消息了,MQTT 使用的是基于 topic 主题的过滤。每条消息都应该包含一个 topic ,broker 可以使用 topic 将消息发送给感兴趣的 client。除此之外,每条消息还会包含一个负载(Payload),Payload 中包含要以字节形式发送的数据。

MQTT 是数据无关性的,也就是说数据是由发布者 - publisher 决定要发送的是 XML 、JSON 还是二进制数据、文本数据。

MQTT 中的 PUBLISH 消息结构如下。

Packet Identifier:这个 PacketId 标识在 client 和 broker 之间唯一的消息标识。packetId 仅与大于零的 Qos 级别相关。

TopicName:主题名称是一个简单的字符串,/ 代表着分层结构。

Qos:这个数字表示的是服务质量水平,服务质量水平有三个等级:0、1 和 2,服务级别决定了消息到达 client 或者 broker 的保证类型,来决定消息是否丢失。

RetainFlag:这个标志表示 broker 将最近收到的一条 RETAIN 标志位为true的消息保存在服务器端(内存或者文件)。

MQTT 服务器只会为每一个 Topic 保存最近收到的一条 RETAIN 标志位为true的消息。也就是说,如果MQTT 服务器上已经为某个 Topic 保存了一条 Retained 消息,当客户端再次发布一条新的 Retained 消息时,那么服务器上原来的那条消息会被覆盖。

Payload:这个是每条消息的实际内容。MQTT 是数据无关性的。可以发送任何文本、图像、加密数据以及二进制数据。

Dupflag:这个标志表示该消息是重复的并且由于预期的 client 或者 broker 没有确认所以重新发送了一次。这个标志仅仅与 Qos 大于 0 相关。

当 client 向 broker 发送消息时,broker 会读取消息,根据 Qos 的级别进行消息确认,然后处理消息。处理消息其实就是确定哪些 subscriber 订阅了 topic 并将消息发送给他们。

最初发布消息的 client 只关心将 PUBLISH 消息发送给 broker,一旦 broker 收到 PUBLISH 消息,broker 就有责任将其传递给所有 subscriber。发布消息的 client 不会知道是否有人对发布的消息感兴趣,同时也不知道多少 client 从 broker 收到了消息。

订阅

client 会向 broker 发送 SUBSCRIBE 消息来接收有关感兴趣的 topic,这个 SUBSCRIBE 消息非常简单,它包含了一个唯一的数据包标识和一个订阅列表。

Packet Identifier:这个 PacketId 和上面的 PacketId 一样,都表示消息的唯一标识符。

ListOfSubscriptions:SUBSCRIBE 消息可以包含一个 client 的多个订阅,每个订阅都会由一个 topic 和一个 Qos 构成。订阅消息中的 topic 可以包含通配符。

确认消息

client 在向 broker 发送 SUBSCRIBE 消息后,为了确认每个订阅,broker 会向 client 发送 SUBACK 确认消息。这个 SUBACK 包含原始 SUBSCRIBE 消息的 packetId 和返回码列表。

其中

Packet Identifier :这个数据包标识符和 SUBSCRIBE 中的相同。

ReturnCode:broker 为每个接收到的 SUBSCRIBE 消息的 topic/Qos 对发送一个返回码。例如,如果 SUBSCRIBE 消息有五个订阅消息,则 SUBACK 消息包含五个返回码作为响应。

到现在我们已经探讨过了三种消息类型,发布 - 订阅 - 确认消息,这三种消息的示意图如下。

退订

SUBSCRIBE 消息对应的是 UNSUBSCRIBE 消息,这条消息发送后,broker 会删除关于 client 的订阅。所以,UNSUBSCRIBE 消息与 SUBSCRIBE 消息类似,都具有 packetId 和 topic 列表。

确认退订

取消订阅也需要 broker 的确认,此时 broker 会向 client 发送一个 UNSUBACK 消息,这个 UNSUBACK 消息非常简单,只有一个 packetId 数据标识符。

退订和确认退订的流程如下。

当 client 收到来自 broker 的 UNSUBACK 消息后,就可以认为 UNSUBSCRIBE 消息中的订阅被删除了。

聊聊 Topic

聊了这么多关于 MQTT 的内容,但是我们还没有好好聊过 Topic。在 MQTT 中,Topic 是指 broker 为每个连接的 client 过滤消息的 UTF-8 字符串。Topic 是一种分层的结构,可以由一个或者多个 Topic 组成。每个 Topic 由 / 进行分割。

与传统的消息队列相比,MQTT Topic 非常轻量级,client 在发布或订阅之前不需要先创建所需要的 Topic,broker 在接收每个 Topic 前不用进行初始化操作。

通配符

当客户端订阅 Topic 时,它可以订阅已发布消息的确切 Topic,也可以使用通配符来同时订阅多个 Topic。通配符有两种:单级和多级。

单级通配符

单级通配符可以替换 Topic 的一个级别,+ 号代表 Topic 中的单级通配符。

如果 Topic 包含任意字符串而不是通配符,则任何 Topic 都能够和单级通配符匹配。例如

myhome/groundfloor/+/temperature 就有下面这几种匹配方式。

多级通配符

多级通配符涵盖多个 Topic,# 代表 Topic 中的多级通配符。为了让 broker 能够确定和哪些 Topic 匹配,多级通配符必须作为 Topic 中的最后一个字符放置,并以 / 开头。

下面是 myhome/groundfloor/# 的几个例子

当 client 订阅带有多级通配符的 Topic 时,不论 Topic 有多长多深,它都会收到通配符之前 Topic 的所有消息。如果你只将 Topic 定义为 # 的话,那么你将会收到所有的消息。


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