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MQTT协议理解并实践

article 2024/11/16 0:46:58

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)

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)

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

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) -------> broker

Topic Name(String):
示例：temperature  livingroom/temperature  kitchen/temperature

Qos(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) ------> broker

Packet ID:
Subscribe: Packet ID    45678
Suback: Packet ID    45678

Subscription 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) ------>Broker

Reason 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/+/temperature

2. 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 Broker

2.MQTTX- MQTT Client

3.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1

7. 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。

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