物联网协议MQTT入门篇

原文链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/20888181原文作者:张琪

物联网(Internet of Things,IoT)最近曝光率越来越高。虽然HTTP是网页的事实标准,不过机器之间(Machine-to-Machine,M2M)的大规模沟通需要不同的模式:之前的请求/回答(Request/Response)模式不再合适,取而代之的是发布/订阅(Publish/Subscribe)模式。这就是轻量级、可扩展的MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)可以施展拳脚的舞台。

MQTT简介

MQTT是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议,最早由IBM提出的,如今已经成为OASIS规范。由于规范很简单,非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景,比如:

  • 遥感数据
  • 汽车
  • 智能家居
  • 智慧城市
  • 医疗医护

由于物联网的环境是非常特别的,所以MQTT遵循以下设计原则:

  1. 精简,不添加可有可无的功能。
  2. 发布/订阅(Pub/Sub)模式,方便消息在传感器之间传递。
  3. 允许用户动态创建主题,零运维成本。
  4. 把传输量降到最低以提高传输效率。
  5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
  6. 支持连续的会话控制。
  7. 理解客户端计算能力可能很低。
  8. 提供服务质量管理。
  9. 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。

运用MQTT协议,设备可以很方便地连接到物联网云服务,管理设备并处理数据,最后应用到各种业务场景,如下图所示:

发布/订阅模式

与请求/回答这种同步模式不同,发布/定义模式解耦了发布消息的客户(发布者)与订阅消息的客户(订阅者)之间的关系,这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。打个比方,你打电话给朋友,一直要等到朋友接电话了才能够开始交流,是一个典型的同步请求/回答的场景;而给一个好友邮件列表发电子邮件就不一样,你发好电子邮件该干嘛干嘛,好友们到有空了去查看邮件就是了,是一个典型的异步发布/订阅的场景。

熟悉编程的同学一定非常熟悉这种设计模式了,因为它带来了这些好处:

  • 发布者与订阅者不必了解彼此,只要认识同一个消息代理即可。
  • 发布者和订阅者不需要交互,发布者无需等待订阅者确认而导致锁定。
  • 发布者和订阅者不需要同时在线,可以自由选择时间来消费消息。

主题

MQTT是通过主题对消息进行分类的,本质上就是一个UTF-8的字符串,不过可以通过反斜杠表示多个层级关系。主题并不需要创建,直接使用就是了。

主题还可以通过通配符进行过滤。其中,+可以过滤一个层级,而*只能出现在主题最后表示过滤任意级别的层级。举个例子:

  • building-b/floor-5:代表B楼5层的设备。
  • +/floor-5:代表任何一个楼的5层的设备。
  • building-b/*:代表B楼所有的设备。

注意,MQTT允许使用通配符订阅主题,但是并不允许使用通配符广播。

服务质量

为了满足不同的场景,MQTT支持三种不同级别的服务质量(Quality of Service,QoS)为不同场景提供消息可靠性:

  • 级别0:尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息,但是遇到意外并不会重视。
  • 级别1:至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失,消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次,当然可能造成重复消息。
  • 级别2:恰好一次。保证这种语义肯定会减少并发或者增加延时,不过丢失或者重复消息是不可接受的时候,级别2是最合适的。

服务质量是个老话题了。级别2所提供的不重不丢很多情况下是最理想的,不过往返多次的确认一定对并发和延迟带来影响。级别1提供的至少一次语义在日志处理这种场景下是完全OK的,所以像Kafka这类的系统利用这一特点减少确认从而大大提高了并发。级别0适合鸡肋数据场景,食之无味弃之可惜,就这么着吧。

消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型:

  1. CONNECT:客户端连接到MQTT代理
  2. CONNACK:连接确认
  3. PUBLISH:新发布消息
  4. PUBACK:新发布消息确认,是QoS 1给PUBLISH消息的回复
  5. PUBREC:QoS 2消息流的第一部分,表示消息发布已记录
  6. PUBREL:QoS 2消息流的第二部分,表示消息发布已释放
  7. PUBCOMP:QoS 2消息流的第三部分,表示消息发布完成
  8. SUBSCRIBE:客户端订阅某个主题
  9. SUBACK:对于SUBSCRIBE消息的确认
  10. UNSUBSCRIBE:客户端终止订阅的消息
  11. UNSUBACK:对于UNSUBSCRIBE消息的确认
  12. PINGREQ:心跳
  13. PINGRESP:确认心跳
  14. DISCONNECT:客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理

后面我们会给出具体的例子。

MQTT代理

市面上有相当多的高质量MQTT代理,其中mosquitto是一个开源的轻量级的C实现,完全兼容了MQTT 3.1和MQTT 3.1.1。下面我们就以mosquitto为例演示一下MQTT的使用。环境是百度开放云的云服务器以及Ubuntu 14.04.1 LTS,简单起见MQTT代理和客户端都安装在同一台云服务器上了。

首先SSH到云服务器,安装mosquitto以及搭配的客户端:

apt-get install mosquittoapt-get install mosquitto-clients

现在在云端模拟云服务,订阅某办公楼5层的温度作为主题:

mosquitto_sub -d -t 'floor-5/temperature'Received CONNACKReceived SUBACKSubscribed (mid: 1): 0

然后另外打开一个SSH连接,模拟温度计发送温度消息:

mosquitto_pub -d -t 'floor-5/temperature' -m '15'Received CONNACKSending PUBLISH (d0, q0, r0, m1, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))

此时回到第一个SSH客户端可以看到信息已经接收到了,之后便是心跳消息:

Received PUBLISH (d0, q0, r0, m0, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))15Sending PINGREQReceived PINGRESP

需要注意的是mosquitto客户端默认使用QoS 0,下面我们使用QoS 2订阅这个主题:

mosquitto_sub -d -q 2 -t 'floor-5/temperature'Received CONNACKReceived SUBACKSubscribed (mid: 1): 2

切换到另外SSH连接然后在这个主题里面发送温度消息:

mosquitto_pub -d -q 2 -t 'floor-5/temperature' -m '15'Received CONNACKSending PUBLISH (d0, q2, r0, m1, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))Received PUBREC (Mid: 1)Sending PUBREL (Mid: 1)Received PUBCOMP (Mid: 1)

此时回到第一个SSH客户端可以看到信息已经接收到了,以及相应的多次握手消息:

Received PUBLISH (d0, q2, r0, m1, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))Sending PUBREC (Mid: 1)Received PUBREL (Mid: 1)15Sending PUBCOMP (Mid: 1)

至此我们初步了解了MQTT的基本知识,祝大家在物联网的世界里面玩得开心!

(0)

相关推荐

  • MQTT QOS & Retained Message

    项目终于基本完成了,记录一下,由于客户端误设置了发布保留消息,导致服务器每次上线都会收到客户端最后一条消息,先去解读并改了QOS的设置,并没有用,然后才发现有Retained Message的设置,直 ...

  • 消息推送标准协议:MQTT

    随着物联网(Internet of Things,IoT)的兴起,机器之间(Machine-to-Machine,M2M)的大规模信息沟通成为重要的课堂,之前HTTP的请求/回答(Request/Re ...

  • 用了那么久MQTT,这些知识点你了解吗

    来这里,还可以学习HAL库的使用哦 哈喽,小伙伴们,今天来聊一聊什么是MQTT协议,以及常用的几个术语是什么意思,有图有真相哦,欢迎阅读 1. 什么是MQTT   MQTT(MQ Telemetry ...

  • 树莓派上的MQTT环境搭建

    前言最近实验室准备招新生,但现在可以拿出来演示诱拐新生的DEMO一个都没,于是老板要求我做一个房间定位的系统.原理和设备也很简单.一个Beacon收集器,和若干个beacon.通过Beacon收集器收 ...

  • 当下流行的物联网协议MQTT简介

    概述 MQTT是IBM开发的一个即时通讯协议,有可能成为物联网的重要组成部分.该协议支持所有平台,几乎可以把所有联网物品和外部连接起来,被用来当做传感器和制动器之间通信的桥梁. MQTT协议是为大量计 ...

  • 最好的中药和药方入门篇!

    中药 叶天士来到病家,只见产妇已奄奄一息,其家人称,薛生白诊断后认为是产妇气血双亏,无力运胎,气血滞行,交骨不开.其处方以气血双补.行滞活血.催生下胎药为主.叶天士接过药方一看,此方甚佳,但难以治此病 ...

  • 快速入门 | 篇一:如何进行运动控制器固件升级?

    zfm文件为控制器固件升级包,根据对应的控制器型号选择对应的固件(不同型号的固件包不一样,确保选择正确的固件包,如需固件升级,请联系厂家).可以使用ZDevelop软件或者zfirmdown工具软件下 ...

  • 涨停板入门篇,怎么看股票换手率?怎么通过换手率判断股票走势?

    涨停板入门篇,怎么看股票换手率?怎么通过换手率判断股票走势?

  • 职场新手入门篇:录音文件如何快速地转为文字?

    之前我们在需要将某些话语内容给记录下来的时候,会选择用录音的操作,便于自己反复听写.但是随着科技的不断发展,各种技术的智能,我们不仅可以用其进行录音的操作,而且可以直接将其音频文件转换成文字内容,如此 ...

  • 长篇:最最最好的中药和药方入门篇!

    第一站:中药 叶天士来到病家,只见产妇已奄奄一息,其家人称,薛生白诊断后认为是产妇气血双亏,无力运胎,气血滞行,交骨不开.其处方以气血双补.行滞活血.催生下胎药为主.叶天士接过药方一看,此方甚佳,但难 ...

  • 生辰八字是什么意思?(小白入门篇)

    在算命的时候,经常会用到生辰八字,有的人不太知道,生辰八字是什么意思,有什么用. 生辰就是人出生的时间,八字就是记录出生时间的八个字.在八字产生的古代,人们是用天干与地支来记时的. 其中天干有十个,地 ...

  • (建议收藏)买深圳旧改回迁商品房投资入门篇,百问百答快速了解回迁房!

    深圳旧改办 22篇原创内容 公众号 随着城市旧改的不断深入 获得回迁房的拆迁户不断增多 回迁房交易也较为常见 在价格上回迁房相对于周边商品房比较便宜 而且不受深圳限购影响 是不少无购房名额的备选 但同 ...

  • 港股打新入门篇:什么样的新股值得申购?(上)

    昨日移卡公布中签,一手中签率10%,申购人数166532,中签人数4.4万,认购倍数641.38倍,回拨比率也达到50%. 看到这么火热的申购场面,是不是觉得不应该破发呢? 然而令人失望的是,这只这只 ...