MQTT协议与EMQ
MQTT协议与EMQ
MQTT协议简介
简介
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议)，是一种基于发布订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建与TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大的优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较为广泛的应用。
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的。这些特点使他适用范围非常广泛。在很多情况下，包含首先的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其他，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型设备中广泛应用。
MQTT协议设计规范
由于物联网的环境非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：
- 精简，不添加可有可无的的功能
- 发布/订阅模式，方便消息在传感器之间传递，解耦Client/Server模式，带来的好处在于不必预先知道对方存在（IP/Port），不必同时运行
- 允许用户动态创建主题（不需要预先创建主题），零运维成本
- 把传输量降到最低以提高传输效率
- 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内
- 支持连续会话保持和控制（心跳）
- 理解客户端计算能力可能很低
- 提供服务质量（Quality of service ：Qos）管理
- 不强求传输数据的类型与格式，保持灵活（只应用业务数据）
MQTT协议主要特性
MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有一些主要特性：
- 开放消息协议，简单实现
- 使用发布/订阅模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合
- 对负载（协议携带的应用数据）内容屏蔽的消息传输
- 基于TCP/IP网络连接，提供有序、无损的双向连接
主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT—SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了- 消息服务质量（Qos）支持，可靠传输保证：有三种发布服务质量
- QoS1:“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，因为不久还会有第二次发送，这种方式主要普通的APP的推送，倘若您的智能设备在消息推送未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了
- QoS2:“至少一次”,确保消息到达，但消息重复可能会发生
- QoS3:“只有一次”，确保消息到达一次 。在一些重要比较严格的计费系统中，可以使用此级别，在计费系统中，消息重复或丢失导致不正确的结果，这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用于只会收到一次
- 1字节固定报头，2字节心跳报文，最小传输开销和协议交换，有效减少网络流量
这就是为什么在介绍里说他非常适合“在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱”，使用这种协议来传递消息在适合不过了- 在线状态感知：使用Last Will和Testament特性和通知有关各方客户端异常终端的机制
Last Will：遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备，发送遗言的设备已经断开了连接
Testament： 遗嘱机制，功能类似于Last Will
应用
MQTT协议广泛应用于物联网、移动物联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域
- 物联网M2M通信，物联网大数据采集
- Android消息的推送，Web消息推送
- 移动即时消息，例如Facebook Messager
- 智能硬件、智能家居、智能电器
- 车联网通信，电动车站桩采集
- 智慧城市、远程医疗、远程教育
- 电力、石油与能源等行业市场
MQTT协议原理
MQTT协议实现方式
实现MQTT协议需要客户端和服务器通讯完成，在通许过程中，MQTT协议有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）、订阅着（Subsscribe），其中，消息的发布者和订阅着都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者
MQTT 传输的消息分为 主题（Topic）和负载（payload）两部分：
- Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）
- payload，可以理解为消息内容，是指订阅者具体要使用的内容
网络传输与应用消息
MQTT会构建底层网络传输：他将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输
当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（Qos）和主题名（Topic）相关联
MQTT客户端
一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，他总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：
- 发布其他客户端可能会订阅的信息
- 订阅其他客户端发布的消息
- 退订或删除应用程序的消息
- 断开与服务器连接
MQTT服务端
MQTT服务器又称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅着之间，他可以
- 接受来自客户的网络连接
- 接受客户发布的应用消息
- 处理来自客户端的订阅和退订请求
- 想订阅的客户转发应用程序消息
发布/订阅、主题、会话
MQTT是基于发布（Publish）/订阅（Subscribe）模式来进行通信及数据交换的，与Http的请求（Request）/应答（Response）的模式有本质的不同
订阅者会向消息服务器订阅一个主题。成功订阅后，消息服务器会将该主题下的消息转发给所有的订阅者
主题（Topic）以“/”为分隔符区分不同的层级。包含通配符“+”或“#”的主题又称为主题过滤器；不含通配符的成为主题名
MQTT协议中的方法
MQTT协议中定义了一些方法（又称为动作），对于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源只服务器上的文件或输出。主要方法：
- CONNECT： 客户端连接到服务器
- CONNACT： 连接确认
- PUBLISH： 发布消息
- PUBACK： 发布确认
- PUBREC： 发布的消息已接受
- PUBREL： 发布的消息已释放
- PUBCOMP： 发布完成
- SUBSCRIBE： 订阅请求
- SUBACK： 订阅确认
- UNSUBSCRIBE： 取消订阅
- UNSUBACK： 取消订阅确认
- PINGREQ：客户端发送心跳
- PINGRESP：客户端心跳响应
- DISCONNECT： 断开连接
- AUTI： 认证
MQTT协议数据包结构
MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头，可变头，消息体构成，MQTT数据包结构如下：
- 固定头：存在于所有的MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识，如连接，发布，订阅，心跳等，其中固定头是必须的，所有类型的MQTT协议中，都必须包含固定头
- 可变头：存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。可变头不是可选的意思，而是指这部分再有协议类型中存在，在有些协议类型中不存在
- 消息体：存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到具体内容。与可变头一样，在有些协议类型中有消息内容，有些协议类型中没有消息内容
EMQX简介
MQTT属于物联网的通信协议，在MQTT协议中有两大角色：客户端（发布者/订阅者），服务器（MQTT broker）；针对客户端和服务端需要遵循该协议的具体实现，EMQ/EMQX就是MQTT Broker的一种实现。
EMQ官网： https://www.emqx.io/cn/
EMQ X是什么
EMQ X基于Erlang/OTP 平台开发的MQTT消息服务器，是开源社区中最流行的MQTT消息服务器，
EMQ X是开源百万级分布式的MQTT消息服务器（MQTT Messaging Broker），用于支持各种标准MQTT协议的设备，实现从设备端到服务器端的消息传递，以及从服务器端到设备端的设备控制消息转发。从而实现物联网设备的数据采集，和对设备的操作和控制
EMQ X与物联网平台的关系是什么
典型的物联网平台包括设备硬件、数据采集、数据存储、分析、Web/移动应用。EMQ X位于数据采集这一层，分别与硬件和数据存储、分析进行交互，是物联网平台的核心；前端硬件通过MQTT协议与位于数据采集层的EMQ X交互，通过EMQ X将数据采集后，通过EMQ X提供数据接口，将数据保存到后台的持久化平台中（各种关系型数据库和NOSQL数据库），或者流失处理框架等，上层应用通过这些数据分析后得到的结果呈现给最终用户
Docker安装
拉取： docker pull emqx/emqx:latest
运行：
docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8081:8081 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx:latest
访问emqt的web管理页面
http://127.0.0.1:18083
#账号： admin
#密码: public
端口
1883：MQTT 协议端口8883：MQTT/SSL 端口8083：MQTT/WebSocket 端口8080：HTTP API 端口18083：Dashboard 管理控制台端口
基本命令
如果采用的是非docker部署的，那么EMQX提供了一些常用的命令行工具，方便用户对EMQ X进行启动，关闭、进入控制台等操作
- emqx start
后台启动EMQ X Broker - emqx stop
- emqx restart
- emqx console
使用控制台启动EMQX Broker - emqx foreground
使用控制台启动EMQ XBroker，与 emqx console不同，emqx foreground不支持输入Erlang命令 - emqx ping
Ping EMQ X Broker
客户端websocket消息收发
在EMQ XBroker提供了Dashboard中的 Tools 导航下的websocket 页面提供了一个简易但有效的webSocket客户端工具，它包含了连接、订阅、和发布功能，同时还能查看自己发送和接受的报文数据。
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