MQTT-基于發布/訂閱模式的輕量級通信協議

作者：Reathin 2023-12-04 08:24:23

網絡通信技術

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的、基于發布/訂閱模式的通信協議，常用于物聯網設備之間的通信。

MQTT介紹

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的、基于發布/訂閱模式的通信協議，常用于物聯網設備之間的通信。它具有以下特點：

簡單：MQTT協議設計簡潔，易于實現和部署。
輕量級：協議頭部信息小，適合在帶寬有限的網絡環境中使用。
發布/訂閱模式：支持發布者將消息發布到特定的主題，訂閱者可以選擇性地訂閱感興趣的主題，從而實現消息的分發和接收。
可靠性：支持三種服務質量等級（QoS），包括最多一次、至少一次和恰好一次的消息傳遞保證。

MQTT協議的消息格式如下：

[

固定頭部可變頭部有效載荷固定長度可變長度長度可變

]

其中，固定頭部包含控制報文類型、標志位和剩余長度字段；可變頭部包含協議名稱、協議版本、連接標志位等信息；有效載荷包含實際的消息內容。

MQTT協議適合在資源受限的設備和網絡環境中進行可靠的通信。

應用場景

物聯網設備通信：MQTT可以用于連接和通信各種物聯網設備，包括傳感器、執行器、嵌入式設備等，實現設備之間的數據交換和控制。例如，傳感器節點可以通過MQTT協議將數據發送到云端服務器，或者設備之間可以通過MQTT進行實時通信。
遠程監控和控制：MQTT可以用于遠程監控和控制系統，例如遠程監控工廠設備、智能家居設備、農業自動化系統等。
實時數據傳輸：MQTT支持發布/訂閱模式，可以用于實時傳輸數據，例如氣象數據、交通信息、股票行情等。
移動應用通知：MQTT可以用于向移動應用發送實時通知，例如社交媒體更新、新聞提醒、即時消息等。
資源受限的環境：由于MQTT協議的輕量級特性，它適合在資源受限的環境中使用，例如嵌入式系統、傳感器網絡和低帶寬網絡環境。

MQTT適用于需要輕量級、可靠、實時通信的各種物聯網和實時數據傳輸場景。

協議說明

MQTT控制報文格式

「固定報頭（Fixed Header）」：包含報文類型和標志位。
「可變報頭（Variable Header）」：根據報文類型不同而不同，包含一些額外的信息。
「有效載荷（Payload）」：包含實際的數據內容。

MQTT數據包類型：

「CONNECT」：客戶端連接到服務器時發送的數據包類型。
「CONNACK」：服務器對客戶端連接請求的響應數據包類型。
「PUBLISH」：用于發布消息的數據包類型。
「PUBACK」：對PUBLISH消息的確認數據包類型。
「PUBREC、PUBREL、PUBCOMP」：用于發布消息的QoS級別2的數據包類型。
「SUBSCRIBE」：訂閱主題的數據包類型。
「SUBACK」：對訂閱請求的確認數據包類型。
「UNSUBSCRIBE」：取消訂閱主題的數據包類型。
「UNSUBACK」：對取消訂閱請求的確認數據包類型。
「PINGREQ、PINGRESP」：用于保持連接的數據包類型。
「DISCONNECT」：客戶端斷開連接時發送的數據包類型。

每種數據包類型都有特定的格式和用途，用于在MQTT協議中進行通信和消息傳遞。

MQTT報文標志位:

「保留位（Retain）」：指示服務器是否應保留消息。
「QoS等級（QoS Level）」：指定消息傳遞的質量。
「主題訂閱標識（Topic Subscription Identifier）」：指示是否使用主題訂閱標識符。

一個PUBLISH報文的格式如下：

| 固定報頭 | 可變報頭 | 有效載荷 |

其中，固定報頭包含報文類型和標志位，可變報頭包含主題名和報文標識符，有效載荷包含實際的消息內容。

MQTT使用

導入依賴：

repositories {
    maven {
        url "https://repo.eclipse.org/content/repositories/paho-snapshots/"
    }
}


dependencies {
    compile 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.client.mqttv3:1.1.0'
    compile 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.android.service:1.1.1'
}

創建客戶端并發布消息（服務端需搭建MQTT服務）：

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;

public class MqttJavaExample {
    public static void main(String[] args) {
        String broker = "tcp://iot.eclipse.org:1883";
        String clientId = "JavaExample";
        try {
            MqttClient client = new MqttClient(broker, clientId);
            MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
            connOpts.setCleanSession(true);
            System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
            client.connect(connOpts);
            System.out.println("Connected");
            String topic = "iot/topic";
            String content = "Hello, MQTT!";
            int qos = 2;
            MqttMessage message = new MqttMessage(content.getBytes());
            message.setQos(qos);
            System.out.println("Publishing message: " + content);
            client.publish(topic, message);
            System.out.println("Message published");
            client.disconnect();
            System.out.println("Disconnected");
            System.exit(0);
        } catch (MqttException me) {
            System.out.println("reason " + me.getReasonCode());
            System.out.println("msg " + me.getMessage());
            System.out.println("loc " + me.getLocalizedMessage());
            System.out.println("cause " + me.getCause());
            System.out.println("excep " + me);
            me.printStackTrace();
        }
    }
}

這是一個簡單的使用 Eclipse Paho MQTT Java 客戶端庫的例子。

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.*;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;

public class MqttClientExample {

    public static void main(String[] args) {
        String broker = "tcp://iot.eclipse.org:1883";
        String clientId = "JavaSample";
        MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();

        try {
            MqttClient client = new MqttClient(broker, clientId, persistence);
            MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
            connOpts.setCleanSession(true);

            System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
            client.connect(connOpts);
            System.out.println("Connected");

            String topic = "iot/topic";
            int qos = 2;
            client.subscribe(topic, qos);
            System.out.println("Subscribed to topic: " + topic);

            String content = "Hello, MQTT!";
            MqttMessage message = new MqttMessage(content.getBytes());
            message.setQos(qos);
            client.publish(topic, message);
            System.out.println("Message published");

            client.disconnect();
            System.out.println("Disconnected");
            System.exit(0);
        } catch (MqttException me) {
            System.out.println("reason " + me.getReasonCode());
            System.out.println("msg " + me.getMessage());
            System.out.println("loc " + me.getLocalizedMessage());
            System.out.println("cause " + me.getCause());
            System.out.println("excep " + me);
            me.printStackTrace();
        }
    }
}

這是一個簡單的使用 Eclipse Paho MQTT Java 客戶端的示例。在這個示例中，我們創建了一個 MQTT 客戶端并連接到指定的 MQTT 代理，然后訂閱了一個主題并發布了一條消息。

MQTT優缺點

優點

「輕量級協議」：MQTT是一種輕量級的發布/訂閱消息傳輸協議，適用于受限的網絡環境和設備。
「低帶寬消耗」：由于其精簡的協議頭和二進制消息格式，MQTT在傳輸過程中消耗的帶寬較低。
「可靠性」：MQTT支持三種級別的服務質量（QoS），可以根據需求選擇適當的級別來確保消息的可靠傳輸。
「靈活性」：MQTT支持多種場景下的消息傳輸，包括設備與云端的通信、移動應用通知推送等。
「易于集成」：MQTT協議已經得到廣泛支持，有許多開源的客戶端和服務器實現，易于集成到各種應用中。

缺點

「安全性」：MQTT本身并不提供加密功能，需要通過TLS/SSL等方式來確保通信的安全性。
「復雜性」：在一些特定場景下，如需要實現高級的消息隊列功能或者大規模部署時，可能需要復雜的配置和管理。
「不適用于大數據傳輸」：由于其輕量級的特性，MQTT并不適合用于大規模數據的傳輸，適合傳輸小型的控制信息和傳感器數據。
「需要穩定的網絡連接」：由于其基于TCP的特性，MQTT需要穩定的網絡連接來保證消息的可靠傳輸，不適合在網絡不穩定的環境中使用。

責任編輯：武曉燕來源：沐雨花飛蝶

通信協議

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