|
MQTT 協(xié)議是什么？ 隨著(zhù) 5G 時(shí)代的來(lái)臨，萬(wàn)物互聯(lián)的偉大構想正在成為現實(shí)。聯(lián)網(wǎng)的 物聯(lián)網(wǎng)設備 在 2018 年已經(jīng)達到了 70 億，在未來(lái)兩年，僅智能水電氣表就將超過(guò)10億。 海量的設備接入和設備管理對網(wǎng)絡(luò )帶寬、通信協(xié)議以及平臺服務(wù)架構都帶來(lái)了很大挑戰。對于 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 來(lái)說(shuō)，必須針對性地解決物聯(lián)網(wǎng)設備通信的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：其網(wǎng)絡(luò )環(huán)境復雜而不可靠、其內存和閃存容量小、其處理器能力有限。 MQTT 協(xié)議 是基于發(fā)布/訂閱模式的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，憑借簡(jiǎn)單易實(shí)現、支持 QoS、報文小等特點(diǎn)，占據了物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的半壁江山： MQTT 協(xié)議的誕生 MQTT was created by Andy Stanford-Clark of IBM, and Arlen Nipper (then of Arcom Systems, later CTO of Eurotech). 據 Arlen Nipper 在一 IBM Podcast 上的自述，MQTT 原名是 MQ TT， 注意 MQ 與 TT之間的空格，其全稱(chēng)為: MQ Telemetry Transport，是九十年代早期，他在參與 Conoco Phillips 公司的一個(gè)原油管道數據采集監控系統(pipeline SCADA system)時(shí)，開(kāi)發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)數據傳輸協(xié)議。它的目的在于讓傳感器通過(guò)帶寬有限的 VSAT ，與 IBM 的 MQ Integrator 通信。由于 Nipper 是遙感和數據采集監控專(zhuān)業(yè)出身，所以按業(yè)內慣例給了個(gè) MQ TT 的名字。 MQTT 協(xié)議設計原則 按照 Nipper 的介紹，MQTT 必須簡(jiǎn)單容易實(shí)現，必須支持 QoS(設備網(wǎng)絡(luò )環(huán)境復雜)，必須輕量且省帶寬(因為那時(shí)候帶寬很貴)，必須數據無(wú)關(guān)(不關(guān)心 Payload 數據格式)，必須有持續地會(huì )話(huà)感知能力(時(shí)刻知道設備是否在線(xiàn))。下面將介紹 MQTT (3.1.1 版本) 的幾個(gè)核心特色，分別對應了這幾個(gè)設計原則的實(shí)現。 靈活的發(fā)布訂閱和主題設計 發(fā)布訂閱模式是傳統 Client/Server 模式的一種解耦方案。發(fā)布者通過(guò) Broker 與消費者之間通信，Broker 的作用是將收到的消息通過(guò)某種過(guò)濾規則，正確地發(fā)送給消費者。發(fā)布/訂閱模式 相對于 客戶(hù)端/服務(wù)器模式 的好處在于： 發(fā)布者和消費者之間不必預先知道對方的存在，比如不需要預先溝通對方的 IP Address 和 Port 發(fā)布者和消費者之間不必同時(shí)運行。因為 Broker 是一直運行的。 在 MQTT 協(xié)議里，上面提到的 過(guò)濾規則 是 Topic。比如：所有發(fā)布到 news 這個(gè) Topic 的消息，都會(huì )被 Broker 轉發(fā)給已經(jīng)訂閱了 news 的訂閱者: 上圖中訂閱者預先訂閱了 news，然后發(fā)布者向 Broker 發(fā)布了一條消息 "some msg" 并指定發(fā)布到 news 主題，Broker 通過(guò) Topic 匹配，決定將這條消息轉發(fā)給訂閱者。 MQTT 的 Topic 有層級結構，并且支持通配符 + 和 #: + 是匹配單層的通配符。比如news/+ 可以匹配news/sports，news/+/basketball 可匹配到news/sports/basketball。 # 是一到多層的通配符。比如news/# 可以匹配news、news/sports、news/sports/basketball 以及news/sports/basketball/x 等等。 MQTT 的主題是不要預先創(chuàng )建的，發(fā)布者發(fā)送消息到某個(gè)主題、或者訂閱者訂閱某個(gè)主題的時(shí)候，Broker 就會(huì )自動(dòng)創(chuàng )建這個(gè)主題。 帶寬消耗最小化 MQTT 協(xié)議將協(xié)議本身占用的額外消耗最小化，消息頭部最小只需要占用 2 個(gè)字節。 MQTT 的消息格式分三部分： 固定長(cháng)度頭部，2 個(gè)字節，所有消息類(lèi)型里都有 可變長(cháng)度頭部，只有某些消息類(lèi)型里有 Payload，只有某些消息類(lèi)型里有 MQTT 的主要消息類(lèi)型有： CONNECT / CONNACK PUBLISH / PUBACK SUBSCRIBE / SUBACK UNSUBSCRIBE / UNSUBACK PINGREQ / PINGRESP DISCONNECT 其中 PINGREQ / PINGRESP 和 DISCONNECT 報文是不需要可變頭部的，也沒(méi)有 Payload，也就是說(shuō)它們的報文大小僅僅消耗 2 個(gè)字節。 在 CONNECT 報文的可變長(cháng)度頭部里，有個(gè) Protocol Version 的字段。為了節省空間，只有一個(gè)字節。所以版本號不是按照字符串 "3.1.1" 存放的，而是使用數字 4 來(lái)表示 3.1.1 版本。 三個(gè)可選的 QoS 等級 為適應設備不同的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，MQTT 設計了 3 個(gè) QoS 等級，0, 1, 2: At most once(0) At least once(1) Exactly once(2) QoS 0 是一種 "fire and forget" 的消息發(fā)送模式：Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 發(fā)送一條消息之后，就不再關(guān)心它有沒(méi)有發(fā)送到對方，也不設置任何重發(fā)機制。 QoS 1 包含了簡(jiǎn)單的重發(fā)機制，Sender 發(fā)送消息之后等待接收者的 ACK，如果沒(méi)收到 ACK 則重新發(fā)送消息。這種模式能保證消息至少能到達一次，但無(wú)法保證消息重復。 QoS 2 設計了略微復雜的重發(fā)和重復消息發(fā)現機制，保證消息到達對方并且嚴格只到達一次。 會(huì )話(huà)保持 MQTT 沒(méi)有假設設備或 Broker 使用了 TCP 的�；顧C制，而是設計了協(xié)議層的�；顧C制：在 CONNECT 報文里可設置 Keepalive 字段，來(lái)設置�；钚奶� PINGREQ/PINGRESP 的發(fā)送時(shí)間間隔。當長(cháng)時(shí)間無(wú)法收到設備的 PINGREQ 的時(shí)候，Broker 就會(huì )認為設備已經(jīng)下線(xiàn)。 總的來(lái)說(shuō)，Keepalive 有兩個(gè)作用： 發(fā)現對端死亡或者網(wǎng)絡(luò )中斷 在長(cháng)時(shí)間無(wú)消息交互的情況下，保持連接不被網(wǎng)絡(luò )設備斷開(kāi) 對于那些想要在重新上線(xiàn)后，重新收到離線(xiàn)期間錯過(guò)的消息的設備，MQTT 設計了持久化連接：在 CONNECT 報文里可設置 CleanSession 字段為 False，則 Broker 會(huì )為終端存儲： 設備所有的訂閱 還未被設備確認的 QoS1 和 QoS 消息 設備離線(xiàn)時(shí)錯過(guò)的消息 在線(xiàn)狀態(tài)感知 MQTT 設計了遺愿(Last Will) 消息，讓 Broker 在發(fā)現設備異常下線(xiàn)的情況下，幫助設備發(fā)布一條遺愿消息到指定的主題。 實(shí)際上在某些 MQTT 服務(wù)器的實(shí)現里 (比如 EMQX)，設備上線(xiàn)或下線(xiàn)的時(shí)候 Broker 會(huì )通過(guò)某些系統主題發(fā)布設備狀態(tài)更新，更符合實(shí)際應用場(chǎng)景。 開(kāi)源 MQTT 服務(wù)器如何選擇 到目前為止，比較流行的開(kāi)源 MQTT 服務(wù)器有幾個(gè)： Eclipse Mosquitto使用 C 語(yǔ)言實(shí)現的 MQTT 服務(wù)器。Eclipse 組織還還包含了大量的 MQTT 客戶(hù)端項目：https://www.eclipse.org/paho/# EMQX使用 Erlang 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的 MQTT 服務(wù)器，內置強大的規則引擎，支持許多其他 IoT 協(xié)議比如 MQTT-SN、 CoAP、LwM2M 等。 Mosca使用 Node.JS 開(kāi)發(fā)的 MQTT 服務(wù)器，簡(jiǎn)單易用。 VerneMQ同樣使用 Erlang 開(kāi)發(fā)的 MQTT 服務(wù)器. 從支持 MQTT 5.0、穩定性、擴展性、集群能力等方面考慮，EMQX 的表現應該是最好的： 使用 Erlang OTP 開(kāi)發(fā)，容錯能力好 (電信領(lǐng)域久經(jīng)考驗的語(yǔ)言，曾經(jīng)做出過(guò) 99.9999999% 可用性的交換機設備) 官方有大量的擴展插件可供擴展。有很多認證插件，數據存儲(backend)插件可供選擇�？芍С指鞣N關(guān)系型數據庫，NoSQL 數據庫，以及常見(jiàn)消息隊列如 Kafka，RabbitMQ，Pulsar 等 支持集群，支持節點(diǎn)水平擴展 單節點(diǎn)支持 2000K 并發(fā)連接 支持規則引擎和編解碼 MQTT 協(xié)議快速體驗 MQTT 在線(xiàn)服務(wù)器 EMQX MQTT 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù) 提供了一個(gè)在線(xiàn)的公共 MQTT 5.0 服務(wù)器，不需要任何安裝您就可以快速開(kāi)始 MQTT 協(xié)議的學(xué)習、測試或原型制作。 該 MQTT 服務(wù)器的詳細接入信息請見(jiàn) EMQ 官網(wǎng)頁(yè)面：免費的在線(xiàn) MQTT 服務(wù)器。 MQTT 在線(xiàn)客戶(hù)端 EMQ 也提供了支持瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)的 MQTT 在線(xiàn)客戶(hù)端工具，該工具支持通過(guò)普通或者加密的 WebSocket 端口連接至 MQTT 服務(wù)器，同時(shí)也支持緩存連接方便下次訪(fǎng)問(wèn)使用。 原創(chuàng )文章，作者：EMQ，如若轉載，請注明出處：https://www.emqx.com/zh/blog/what-is-the-mqtt-protocol |
