imx6ull/linux应用编程学习（14） MQTT基础知识

什么是mqtt？

        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

        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。

        这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了， 在手机移动应用方面， MQTT 是一种不错的 Android 消息推送方案。

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。

MQTT 通信基本原理

服务端和客户端

        MQTT 是一种基于客户端-服务端架构的消息传输协议，所以在 MQTT 协议通信中，有两个最为重要的角色，它们便是服务端和客户端

MQTT 主题

        客户端想要从服务器获取信息，首先需要订阅信息,"主题”在 MQTT 通信中是一个非常重要的概念，客户端发布信息以及订阅信息都是围绕“主题”来进行的。

        客户端发布消息时需要为消息指定一个“主题”， 表示将消息发布到该主题；而对于订阅消息的客户端来说，可通过订阅“主题” 来订阅消息，这样当其它客户端或自己（当前客户端）向该主题发布消息时， MQTT 服务端就会将该主题的信息发送给该主题的订阅者（客户端）。

        在以上图示中一共有三个 MQTT 客户端， 它们分别是开发板、 手机和电脑。 MQTT 服务端在管理 MQTT通信时使用了“主题”来对信息进行管理。比如上图所示，假设我们需要利用手机和电脑获取开发板在运行过程中 SoC 芯片的温度，那么首先电脑和手机这两个客户端需要向 MQTT 服务器订阅主题“芯片温度” ；接下来，当开发板客户端向服务端的“芯片温度”主题发布信息（假设信息的内容就是当前的温度值） 后服务端就会首先检查都有哪些客户端订阅了“芯片温度”这一主题的信息，而当它发现订阅了该主题的客户端有一个手机和一个电脑，于是服务端就会将刚刚收到的“芯片温度”信息转发给订阅了该主题的手机和电脑客户端。

        以上实例中， 开发板是“芯片温度”主题的发布者，而手机和电脑则是该主题的订阅者。

值得注意的是， MQTT 客户端在通信时，角色往往不是单一的， 一个客户端既可以作为信息发布者也可以同时作为信息订阅者。如下图所示：

        图中的所有客户端都是围绕“LED 控制”这一主题进行通信。此时，对于“LED 控制”这一主题来说，手机和电脑客户端成为了 MQTT 信息的发布者而开发板则成为了 MQTT 信息的订阅者（接收者）。

MQTT 发布/订阅特性
 

客户端相互独立
        MQTT 客户端是一个个独立的个体， 它们无需了解彼此的存在，依然可以实现信息交流。

空间上分离

        MQTT 客户端以及 MQTT 服务端它们在通信时是处于同一个通信网络中的， 这个网络可以是互联网或者局域网； 只要客户端联网，无论他们远在天边还是近在眼前，都可以实现彼此间的通讯交流；其实网络通信本就是如此，所以并不是 MQTT 通信所特有的。

时间上可异步
        MQTT 客户端在发送和接收信息时无需同步。这一特点对物联网设备尤为重要

连接 MQTT 服务端

        MQTT 客户端连接服务端总共包含了两个步骤：

        ①、首先客户端需要向服务端发送连接请求，这个连接请求实际上就是向服务端发送一个 CONNECT报文，也就是发送了一个 CONNECT 数据包。

        ②、 MQTT 服务端收到连接请求后，会向客户端发送连接确认。 连接确认实际上是向客户端发送一个CONNACK 报文，也就是 CONNACK 数据包。

        总结一句话就是：客户端先向服务端发送 CONNECT报文，服务端收到连接请求后，再向待连接的客户端发送 CONNACK 报文

CONNECT 报文
 

        如果此 CONNECT 报文的格式或内容不符合 MQTT 规范，则服务器会拒绝客户端的连接请求。

        CONNECT 报文包含的信息如下图所示：

        所谓报文就是一个数据包， MQTT 报文组成分为三个部分：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）以及有效载荷（Payload，消息体）。这里我们简单地介绍一下：

        固定头（Fixed header） ： 存在于所有 MQTT 报文中， 固定头中有报文类型标识，可用于识别是哪种 MQTT 报文，譬如该报文是 CONNECT 报文还是 CONNACK 报文，亦或是其它类型报文。

        可变头（Variable header） ： 存在于部分类型的 MQTT 报文中，报文的类型决定了可变头是否存在及其具体的内容。

         消息体（Payload） ： 存在于部分类型的 MQTT 报文中， payload 就是消息载体的意思。

        clientId--客户端 id

        clientId 是 MQTT 客户端的标识，也就是 MQTT 客户端的名字，MQTT 服务端可通过 clientId 来区分不同的客户端。

        keepAlive--心跳时间间隔

        有些客户端并不经常发送消息给服务端， 对于这种客户端， MQTT 协议使用了类似心跳检测的方法来判断客户端是否在线。客户端在没有向服务端发送信息时（空闲时） ，可以定时向服务端发送一个心跳数据包，这个心跳包也被称作心跳请求， 心跳请求的作用正是用于告知服务端，当前客户端依然在线。
        譬如 keepAlive=60，表示告诉服务端，客户端将会每隔 60 秒左右向服务端发送心跳包。

        cleanSession--清除会话

        这是一个布尔值， cleanSession 标志可用于控制客户端与服务端在连接和断开连接时的行为，我们举个例子来进行说明， QQ、微信这些聊天软件大家都用过，假设当前你的 QQ 账号没有登录或者说当前处于离线状态，与服务器断开了连接； 而在离线期间，你的 QQ 好友给你发了几条信息； 由于当前你的 QQ 处于离线状态，自然是接收不到好友发送过来的信息，但是， 当你的 QQ 恢复连接状态时，立马会接收到好友在离线期间所发给你的信息

        如果连接服务端时 cleanSession=0， 当 MQTT 客户端由离线（与服务端断开连接）再次上线时，离线期间发给客户端的所有 QoS>0 的消息仍然可以接收到；如果连接服务端时 cleanSession=1， 当 MQTT 客户端由离线（与服务端断开连接）再次上线时，离线期间发
给客户端的所有消息一律接收不到。
        说白了，想接收离线消息， 客户端连接服务端时就必须使用 cleanSession=0；除了这个作用之外，如果cleanSession=0，则 MQTT 服务端会在客户端断开连接之后“记住” MQTT 客户端在线期间所订阅的所有“主题”；也就是说，服务端会保存、存储客户端所订阅的主题。
        如果 cleanSession=1，客户端既无法接收到离线消息、服务端也不会记住该客户端所订阅的主题， 服务端不会保存客户端的会话状态， 每次连接都是一次新的会话

下面再看看 MQTT 服务端接收到客户端发来的连接请求后所回复的 CONNACK 报文详细内容

CONNACK 报文

returnCode--连接返回码

        当服务端收到了客户端的连接请求后，会向客户端发送 returnCode(连接返回码)， 用来说明连接情况。如果客户端与服务端成功连接，则返回数字“0”。如果未能成功连接，返回码将会是一个非零的数字，具体这个数字的含义，请见下表

       sessionPresent

        在 cleanSession=0 的情况下， 当客户端连接到服务器之后， 可通过 CONNACK 报文中返回的sessionPresent 来查询服务端是否为客户端保存了会话状态（客户端上一次连接时的会话状态信息） ， 如果服务端已为客户端保存了上一次连接时的会话状态，则 sessionPresent=1，如果没有保存会话状态，则sessionPresent=0。

        如果 cleanSession=1， 在这种情况下，客户端是不需要服务端保存会话状态的， 那么服务端发送的确认连接 CONNACK 报文中， sessionPresent 肯定是 false（sessionPresent=0） ，也就是说，服务端没有保存客户端的会话状态信息。

        简言之， CONNACK 报文的 sessionPresent 与 CONNECT 报文的 cleanSession 相互配合。其作用是客户端发送连接请求时，服务端告知客户端有没有保存会话状态。这个被服务端保存的会话状态是来自于上一次客户端连接时，譬如离线消息以及上一次连接时客户端所订阅的主题。

断开连接
 

        当 MQTT 客户端连接到服务端之后，在后续的通信过程中，如果客户端想要断开与服务端的连接，此时客户端可以主动向服务端发送一个 DISCONNECT 报文来断开与服务端的连接，如下图所示

发布消息、订阅主题与取消订阅主题
 

PUBLISH– 发布消息
        当客户端连接到服务端之后，就可以向服务端发布消息了， 每条发布的消息必须指定一个“主题”，表示向某主题发布消息，MQTT 客户端向服务端发布消息其实就是向服务端发送一个 PUBLISH 报文， 服务端收到客户端发送过来的 PUBLISH 报文之后，会向发送发回复一个报

SUBSCRIBE--订阅主题
        客户端要想订阅主题，首先要向服务端发送主题订阅请求。客户端是通过向服务端发送 SUBSCRIBE 报文来实现这一请求的。该报文包含有一系列“订阅主题名”。请留意，一个 SUBSCRIBE 报文可以包含有单个或者多个订阅主题名。也就是说，一个 SUBSCRIBE 报文可以用于订阅一个或者多个主题。

        另外每一个 SUBSCRIBE 报文还包含有“报文标识符”。报文标识符可用于对 MQTT 报文进行标识。不同的 MQTT 报文所拥有的标识符不同。 MQTT 设备可以通过该标识符对 MQTT 报文进行甄别和管理。当客户端向服务端发送 SUBSCRIBE 报文，服务端接收到 SUBSCRIBE 报文之后会向客户端回复一个SUBACK 报文（订阅确认报文），如下图所示：

UNSUBSCRIBE--取消订阅主题
 

        客户端订阅了某一主题之后，可以随时取消订阅， MQTT 协议提供了这样的操作。

客户端通过向服务端发送一个 UNSUBSCRIBE 报文来取消订阅主题，当服务端接收到 UNSUBSCRIBE报文后，会向发送发回复一个 UNSUBACK 报文（取消订阅确认报文），如下图所示：

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_50688173/article/details/140278112

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！