MQTT协议理解并实践

MQTT是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议，专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计

MQTT协议根据主题来分发消息进行通信，支持通配符匹配，可以低开销的使用数百万Topic进行一对一，一对多双向通信。

协议特点

1. 开放消息协议，简单易实现2. 发布订阅模式，一对多消息分发和应用程序分离3. 基于TCP/IP网络连接，有序，无损，双向连接的网络协议4. 字节固定包头，字节心跳报文，报文结构紧凑，协议交换最小化，以减少网络流量5. 消息QoS支持，可靠传输保证

服务质量等级

QoS 0：消息可能丢失
QoS 1：消息不会丢失但可能重复
QoS 2：消息不会丢失也不会重复

MQTT报文类型

• 连接

CONNECT,CONNACk,DISCONNECT

• 发布

PUBLISH,PUBACk,PUBREC(publish receive),PUBREL(publish release),PUBCOMP(publish complete)

• 订阅

SUBSCRIBE,SUBACk,UNSUBSCRIBE,UNSUBACk

• 心跳

PINGREQ,PINGRESP

主要报文类型

• CONNECT

客户端标识符
用户名
密码
遗嘱消息

• PUBLISH

主题
QoS
Payload(负载)

• SUBSCRIBE

主题
QoS

发布订阅模式

发布者&订阅者 <----> Broker代理服务 <----> 订阅者&发布者

1. 发布，订阅和取消订阅的相关报文

如何发布消息

client ------> publish(Topic Name,QoS,Payload) -------> brokerTopic Name(String):
示例：temperature  livingroom/temperature  kitchen/temperatureQos(Integer):
Qos 0 消息可能丢失
Qos 1 消息不会丢失但可能重复
Qos 2 消息不会丢失也不会重复Payload(Binary):
可为Json类型：
{“from":"client","temperature":26
}可为Binary类型进制数据
4d 69 72 61 63 6c 65 73...可为Ciphertext类型加密数据
UFsdGVkX1/PucJg+taTQ...

如何订阅消息

client ------> subscribe(Packet ID,Subscription List) ------> brokerPacket ID:
Subscribe: Packet ID    45678
Suback: Packet ID    45678Subscription List:
Topic Filter 1(QoS 1)
Topic Filter 2(Qos 2)
Topic Filter 3(Qos 3)Topic Filter subscribe可以使用主题通配符
subscribed topic a/+ 
代表:     publish to topic a/1
也可代表: publish to topic a/2 等

如何订阅响应

client -----> suback(Packet ID,Reason Codes) ------>BrokerReason Codes(原因码):
成功：
0x00：订阅成功且最大QoS等级为0
0x01: 订阅成功且最大QoS等级为1
0x02：订阅成功且最大QoS等级为2
失败：
0x80：订阅失败

如何取消订阅

client -----> unsubscribe(Packet ID,Topic Filters) -----> broker想要取消订阅的Topic Filter ------ 完全的文本匹配 ----- 实际订阅的Topic Filter

取消订阅响应

client ----- unsuback(Packet ID,Person Codes) ------ broker

Topic主题定义：

UTF-8字符串类型,最大长度65535长度，区分大小写home/livingroom/temperature + 主题通配符 = 一次订阅多个主题主题通配符类型：
1. 单层通配符(+): /home/+/temperature2. 多层通配符(#): 也可匹配0个层级 /home/#3. 以$开头的主题：$SYS/ (客户端上下线事件通知，报文收发统计，Broker状态信息)注意：通配符+和#可以同时使用，不建议主题以“/”开头或者结尾

准备条件

需要用到的工具

1.EMQX - MQTT Broker2.MQTTX- MQTT Client3.Wireshark-网络抓包工具

拉取EMQX镜像

docker pull emqx:5.0.19

运行EMQX

docker run -d --name emqx -p 18083:18083 -p 1883:1883 emqx:5.0.19

修改EMQX日志等级为 Debug

docker exec -i emqx /opt/emqx/bin/emqx ctl log set-level debug

查看EMQX日志

docker logs -f emgx

mqtt题目练习

1. 发布两条QoS1消息，这两条消息将使用不同的 Packet ID，并且Packet ID 不需要我们自己设置。2. 订阅未授权的主题 ($SYS/#)，EMQX将返回 Reason Code 为 0x80的SUBACK。3. 订阅 a/+，可以收到 a/1、a/2 等主题的消息。4. 订阅 a/+ 和 a/1，当有客户端发布消息到主题 a/1时，订阅者将收到两条消息。5. 使用相同的主题过滤器进行多次订阅，新的订阅会覆盖旧的订阅，不会失败，也不会收到重复的消息。6. 订阅时设置最大 QoS为 1，发布 QoS为2的消息，订阅者收到的消息的 QoS为17. 订阅a/1 和a/+，取消订阅 a/+ 主题，只会取消订阅 a/+ 这个主题。8. example和Example、example/ 属于不同的主题。9. /example 主题必须用/+ 来匹配，仅使用+是匹配不到的。10. 单层通配符可以多次出现，订阅 a/+/+/d，可以接收来自 a/1/2/d 和 a/3/4/d 主题的消息。11. 订阅 a/#，可以接受来自 a/1 和 a/1/2 主题的消息12. 单层通配符和多层通配符可以同时使用，订阅 a/+/# 主题，发布消息到 a/1/2/3 主题13. 系统消息，订阅 $SYS/brokers/+/clients/#，可以接收到客户端上下线事件消息。