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Mqtt协议规范

 心不留意外尘 2016-06-27

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2014

MQTT(Message Queue Telemetry Transport),遥测传输协议,提供订阅/发布模式,更为简约、轻量,易于使用,针对受限环境(带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定),可以简单概括为物联网打造,官方总结特点如下:

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. 对负载内容屏蔽的消息传输。
3. 使用 TCP/IP 提供网络连接。
4. 有三种消息发布服务质量:
    “至多一次”,消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况,环境传感器数据,丢失一次读记录无所谓,因为不久后还会有第二次发送。
    “至少一次”,确保消息到达,但消息重复可能会发生。
    “只有一次”,确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况,在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。
5. 小型传输,开销很小(固定长度的头部是 2 字节),协议交换最小化,以降低网络流量。
6. 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。 

                                                                                         
消息格式


                                                                                                                                                                                                                             
一:固定头部
MQTT的消息包含着一个有两个字节大小的固定头部
bit 7 6 5 4 3 2 1 0
byte 1 Message Type DUP flag QoS level RETAIN
byte 2 Remaining Length
二:消息类型(Message Tpe)

消息类型(4-7),使用4位二进制表示,可代表16种消息类型:

Mnemonic Enumeration Description
Reserved 0 Reserved----保留待用
CONNECT 1 Client request to connect to Server----客户端连接请求
CONNACK 2 Connect Acknowledgment----连接反馈
PUBLISH 3 Publish message-----发布消息
PUBACK 4 Publish Acknowledgment-----发布反馈
PUBREC 5 Publish Received (assured delivery part 1)----发布消息被接收
PUBREL 6 Publish Release (assured delivery part 2)
PUBCOMP 7 Publish Complete (assured delivery part 3)----发布消息完成
SUBSCRIBE 8 Client Subscribe request----客户端订阅
SUBACK 9 Subscribe Acknowledgment----订阅反馈
UNSUBSCRIBE 10 Client Unsubscribe request----客户端解除订阅
UNSUBACK 11 Unsubscribe Acknowledgment----接触订阅反馈
PINGREQ 12 PING Request-------心跳检测
PINGRESP 13 PING Response----心跳反馈
DISCONNECT 14 Client is Disconnecting----客户端断开连接
Reserved 15 Reserved----保留待用

三:DUP flag(打开标志)

保证消息可靠传输,默认为0,只占用一个字节,表示第一次发送。不能用于检测消息重复发送等。只适用于客户端或服务器端尝试重发PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息,注意需要满足以下条件:

 当QoS > 0
 消息需要回复确认 

此时,在可变头部需要包含消息ID。当值为1时,表示当前消息先前已经被传送过。

四:QoS(Quality of Service,服务质量)

使用两个二进制表示PUBLISH类型消息:

QoS value bit 2 bit 1 Description
0 0 0 至多一次 发完即丢弃 <=1
1 0 1 至少一次 需要确认回复 >=1
2 1 0 只有一次 需要确认回复 =1
3 1 1 待用,保留位置

五:RETAIN(保持)

仅针对PUBLISH消息。不同值,不同含义:

1:表示发送的消息需要一直持久保存(不受服务器重启影响),不但要发送给当前的订阅者,并且以后新来的订阅了此Topic name的订阅者会马上得到推送。

备注:新来乍到的订阅者,只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。

0:仅仅为当前订阅者推送此消息。

假如服务器收到一个空消息体(zero-length payload)、RETAIN = 1、已存在Topic name的PUBLISH消息,服务器可以删除掉对应的已被持久化的PUBLISH消息。


六:QoS level决定的消息流

QoS level为Quality of Service level的缩写,翻译成中文,服务质量等级。

MQTT 3.1协议在"4.1 Quality of Service levels and flows"章节中,仅仅讨论了客户端到服务器的发布流程,不太完整。因为决定消息到达率,能够提升发送质量的,应该是服务器发布PUBLISH消息到订阅者这一消息流方向。

QoS level 0

至多发送一次,发送即丢弃。没有确认消息,也不知道对方是否收到。

Client Message and direction Server
QoS = 0 PUBLISH 
---------->
Action: Publish message to subscribers then Forget
Reception: <=1

针对的消息不重要,丢失也无所谓。

网络层面,传输压力小。

QoS level 1

所有QoS level 1都要在可变头部中附加一个16位的消息ID。

SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE消息使用QoS level 1。

针对消息的发布,Qos level 1,意味着消息至少被传输一次。

发送者若在一段时间内接收不到PUBACK消息,发送者需要打开DUB标记为1,然后重新发送PUBLISH消息。因此会导致接收方可能会收到两次PUBLISH消息。针对客户端发布消息到服务器的消息流:

Client Message and direction Server
QoS = 1
DUP = 0
Message ID = x

Action: Store message

PUBLISH 
---------->
Actions:
  • Store message

  • Publish message to subscribers
  • Delete message

Reception: >=1
Action: Discard message PUBACK 
<----------
Message ID = x

针对服务器发布到订阅者的消息流:

Server Message and direction Subscriber
QoS = 1
DUP = 0
Message ID = x
PUBLISH 
---------->
Actions:
  • Store message

  • Make message available                       
Reception: >=1

PUBACK 
<----------
Message ID = x

发布者(客户端/服务器)若因种种异常接收不到PUBACK消息,会再次重新发送PUBLISH消息,同时设置DUP标记为1。接收者以服务器为例,这可能会导致服务器收到重复消息,按照流程,broker(服务器)发布消息到订阅者(会导致订阅者接收到重复消息),然后发送一条PUBACK确认消息到发布者。

在业务层面,或许可以弥补MQTT协议的不足之处:重试的消息ID一定要一致接收方一定判断当前接收的消息ID是否已经接受过

但一样不能够完全确保,消息一定到达了。

QoS level 2

仅仅在PUBLISH类型消息中出现,要求在可变头部中要附加消息ID。

级别高,通信压力稍大些,但确保了仅仅传输接收一次。

先看协议中流程图,Client -> Server方向,会有一个总体印象:

Client Message and direction Server
QoS = 2
DUP = 0
Message ID = x

Action: Store message

PUBLISH 
---------->
Action(a) Store message

or

Actions(b):
  • Store message ID
  • Publish message to subscribers
  PUBREC 
<----------
Message ID = x
Message ID = x PUBREL 
---------->
Actions(a):
  • Publish message to subscribers
  • Delete message

or

Action(b): Delete message ID
Action: Discard message PUBCOMP 
<----------
Message ID = x

Server -> Subscriber

Server Message and direction Subscriber
QoS = 2
DUP = 0
Message ID = x
PUBLISH 
---------->
Action: Store message
  PUBREC 
<----------
Message ID = x
Message ID = x PUBREL 
---------->
Actions:
  • Make message available                       

PUBCOMP 
<----------
Message ID = x

Server端采取的方案a和b,都包含了何时消息有效,何时处理消息。两个方案二选一,Server端自己决定。但无论死采取哪一种方式,都是在QoS level 2协议范畴下,不受影响。若一方没有接收到对应的确认消息,会从最近一次需要确认的消息重试,以便整个(QoS level 2)流程打通。

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