IoT -- (七)MQTT协议详解

MQTT是什么?

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,该协议构建于TCP/IP协议上,由IBM在1999年发布,目前最新版本为v3.1.1。MQTT最大的优点在于可以以极少的代码和有限的带宽,为远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议,MQTT在物联网、小型设备、移动应用等方面有广泛的应用。

当然,在物联网开发中,MQTT不是唯一的选择,与MQTT互相竞争的协议有XMPP和CoAP协议等,文章末尾会有一个比较和说明。

MQTT是哪一层的协议?

众所周知,TCP/IP参考模型可以分为四层:应用层、传输层、网络层、链路层。TCP和UDP位于传输层,应用层常见的协议有HTTP、FTP、SSH等。MQTT协议运行于TCP之上,属于应用层协议,因此只要是支持TCP/IP协议栈的地方,都可以使用MQTT。

MQTT消息格式

每条MQTT命令消息的消息头都包含一个固定的报头,有些消息会携带一个可变报文头和一个负荷。消息格式如下:

固定报文头 | 可变报文头 | 负荷

固定报文头(Fixed Header)

MQTT固定报文头最少有两个字节,第一字节包含消息类型(Message Type)和QoS级别等标志位。第二字节开始是剩余长度字段,该长度是后面的可变报文头加消息负载的总长度,该字段最多允许四个字节。

剩余长度字段单个字节最大值为二进制0b0111 1111,16进制0x7F。也就是说,单个字节可以描述的最大长度是127字节。为什么不是256字节呢?因为MQTT协议规定,单个字节第八位(最高位)若为1,则表示后续还有字节存在,第八位起“延续位”的作用。

例如,数字64,编码为一个字节,十进制表示为64,十六进制表示为0×40。数字321(65+2*128)编码为两个字节,重要性最低的放在前面,第一个字节为65+128=193(0xC1),第二个字节是2(0x02),表示2×128。

由于MQTT协议最多只允许使用四个字节表示剩余长度(如表1),并且最后一字节最大值只能是0x7F不能是0xFF,所以能发送的最大消息长度是256MB,而不是512MB。

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表1

可变报文头(Variable Header)

可变报文头主要包含协议名、协议版本、连接标志(Connect Flags)、心跳间隔时间(Keep Alive timer)、连接返回码(Connect Return Code)、主题名(Topic Name)等,后面会针对主要部分进行讲解。

有效负荷(Payload)

Payload直译为负荷,可能让人摸不着头脑,实际上可以理解为消息主体(body)。

当MQTT发送的消息类型是CONNECT(连接)、PUBLISH(发布)、SUBSCRIBE(订阅)、SUBACK(订阅确认)、UNSUBSCRIBE(取消订阅)时,则会带有负荷。

MQTT的主要特性

MQTT的消息类型(Message Type)

固定报文头中的第一个字节包含连接标志(Connect Flags),连接标志用来区分MQTT的消息类型。MQTT协议拥有14种不同的消息类型(如表2),可简单分为连接及终止、发布和订阅、QoS 2消息的机制以及各种确认ACK。至于每一个消息类型会携带什么内容,这里不多阐述。

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表2

消息质量(QoS)

MQTT消息质量有三个等级,QoS 0,QoS 1和 QoS 2。

  • QoS 0:最多分发一次。消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络,协议里没有定义应答和重试,消息要么只会到达服务端一次,要么根本没有到达。
  • QoS 1:至少分发一次。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认,如果通信链路或发送设备异常,或者指定时间内没有收到确认消息,发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。
  • QoS 2:只分发一次。这是最高级别的消息传递,消息丢失和重复都是不可接受的,使用这个服务质量等级会有额外的开销。
    通过下面的例子可以更深刻的理解上面三个传输质量等级。

比如目前流行的共享单车智能锁,智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器,发送单车的当前位置,如果服务器没收到也没关系,反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置,找到单车后需要进行解锁,这时候可以使用QoS level 1质量消息,手机App不断的发送解锁消息给单车锁,确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后,需要提交付款表单,可以使用QoS level 2质量消息,这样确保只传递一次数据,否则用户就会多付钱了。

遗愿标志(Will Flag)

在可变报文头的连接标志位字段(Connect Flags)里有三个Will标志位:Will Flag、Will QoS和Will Retain Flag,这些Will字段用于监控客户端与服务器之间的连接状况。如果设置了Will Flag,就必须设置Will QoS和Will Retain标志位,消息主体中也必须有Will Topic和Will Message字段。

那遗愿消息是怎么回事呢?服务器与客户端通信时,当遇到异常或客户端心跳超时的情况,MQTT服务器会替客户端发布一个Will消息。当然如果服务器收到来自客户端的DISCONNECT消息,则不会触发Will消息的发送。
因此,Will字段可以应用于设备掉线后需要通知用户的场景。

连接保活心跳机制(Keep Alive Timer)

MQTT客户端可以设置一个心跳间隔时间(Keep Alive Timer),表示在每个心跳间隔时间内发送一条消息。如果在这个时间周期内,没有业务数据相关的消息,客户端会发一个PINGREQ消息,相应的,服务器会返回一个PINGRESP消息进行确认。如果服务器在一个半(1.5)心跳间隔时间周期内没有收到来自客户端的消息,就会断开与客户端的连接。心跳间隔时间最大值大约可以设置为18个小时,0值意味着客户端不断开。

MQTT其他特点

异步发布/订阅实现

发布/订阅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。
这个模式有以下好处:

  • 发布者与订阅者只需要知道同一个消息代理即可;
  • 发布者和订阅者不需要直接交互;
  • 发布者和订阅者不需要同时在线。

由于采用了发布/订阅实现,MQTT可以双向通信。也就是说MQTT支持服务端反向控制设备,设备可以订阅某个主题,然后发布者对该主题发布消息,设备收到消息后即可进行一系列操作。

二进制格式实现

MQTT基于二进制实现而不是字符串,比如HTTP和XMPP都是基于字符串实现。由于HTTP和XMPP拥有冗长的协议头部,而MQTT固定报文头仅有两字节,所以相比其他协议,发送一条消息最省流量。

MQTT的安全

由于MQTT运行于TCP层之上并以明文方式传输,这就相当于HTTP的明文传输,使用Wireshark可以完全看到MQTT发送的所有消息,消息指令一览无遗,如图1所示。

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图1 Wireshark抓取MQTT数据包

这样可能会产生以下风险:

  • 设备可能会被盗用;
  • 客户端和服务端的静态数据可能是可访问的(可能会被修改);
  • 协议行为可能有副作用(如计时器攻击);
  • 拒绝服务攻击;
  • 通信可能会被拦截、修改、重定向或者泄露;
  • 虚假控制报文注入。

作为传输协议,MQTT仅关注消息传输,提供合适的安全功能是开发者的责任。安全功能可以从三个层次来考虑——应用层、传输层、网络层。

  • 应用层:在应用层上,MQTT提供了客户标识(Client Identifier)以及用户名和密码,可以在应用层验证设备。
  • 传输层:类似于HTTPS,MQTT基于TCP连接,也可以加上一层TLS,传输层使用TLS加密是确保安全的一个好手段,可以防止中间人攻击。客户端证书不但可以作为设备的身份凭证,还可以用来验证设备。
  • 网络层:如果有条件的话,可以通过拉专线或者使用VPN来连接设备与MQTT代理,以提高网络传输的安全性。

认证

MQTT支持两种层次的认证:

  • 应用层:MQTT支持客户标识、用户名和密码认证;
  • 传输层:传输层可以使用TLS,除了加密通讯,还可以使用X509证书来认证设备。

客户标识

MQTT客户端可以发送最多65535个字符作为客户标识(Client Identifier),一般来说可以使用嵌入式芯片的MAC地址或者芯片序列号。虽然使用客户标识来认证可能不可靠,但是在某些封闭环境或许已经足够了。

用户名和密码

MQTT协议支持通过CONNECT消息的username和password字段发送用户名和密码。

用户名及密码的认证使用起来非常方便,不过由于它们是以明文形式传输,所以使用抓包工具就可以轻易的获取。

一般来说,使用客户标识、用户名和密码已经足够了,比如支持MQTT协议连接的OneNET云平台,就是使用了这三个字段作为认证。如果感觉还不够安全,还可以在传输层进行认证。

在传输层认证

在传输层认证是这样的:MQTT代理在TLS握手成功之后可以继续发送客户端的X509证书来认证设备,如果设备不合法便可以中断连接。使用X509认证的好处是,在传输层就可以验证设备的合法性,在发送CONNECT消息之前便可以阻隔非法设备的连接,以节省后续不必要的资源浪费。而且,MQTT协议运行在使用TLS时,除了提供身份认证,还可以确保消息的完整性和保密性。

选择用户数据格式

MQTT协议只实现了传送消息的格式,并没有限制用户协议需要按照一定的风格,因此在MQTT协议之上,我们需要定义一套自己的通信协议。比如说,发布者向设备发布一条打开消息,设备可以回复一个消息并携带返回码,这样的消息格式是使用二进制、字符串还是JSON格式呢?下面就简单做个选型参考。

十六进制/二进制

MQTT原本就是基于二进制实现的,所以用户协议使用二进制实现是一个不错的选择。虽然失去了直观的可读性,但可以将流量控制在非常小。其实对于单片机开发者来说十六进制并不陌生,因为单片机寄存器都是以位来操作的,芯片间通信也会使用十六进制/二进制。而对于没有单片机开发经验的工程师来说,十六进制/二进制可能就太原始了。下面我们继续看看还有没有其他方案。

字符串

对单片机开发者来说,字符串也是一个选择。比如通过串口传输的AT指令就是基于字符串通信的。使用字符串方便了人阅读,但是对高级语言开发者来说,字符串依旧不是最佳选择,恐怕键值对(Key-Value)才是最优形式。

JSON

JSON中文全称是JavaScript对象标记语言,在这门语言中,一切都是对象。因此,任何支持的类型都可以通过JSON来表示,例如字符串、数字、对象、数组等。其语法规则是:

  • 对象表示为键值对;
  • 数据由逗号分隔;
  • 花括号保存对象;
  • 方括号保存数组。

JSON层次结构简洁清晰,易于阅读和编写,同时也易于机器解析和生成,有效提升网络传输效率。

对于单片机开发者,主流的微控制器软件开发工具Keil有提供JSON库,可以用于STC、STM32等微控制器开发,所以在微控制器上解析JSON不需要自己写一个JSON解析器或者移植了。

如果实在懒得使用JSON库生成或解析,也可以直接使用C语言中的sprintf生成JSON字符串,比如:

sprintf(buf, "{\"String\":\"%s\", \"Value\":%d}", "Hello World!", 12345);

这样就可以生成一个{“String”:”Hello World!”, “Value”:12345}JSON字符串了。

XML

MQTT协议只负责通信部分,用户协议可以自己选择,当然也可以选择复杂又冗长的XML格式。可是既然要选择MQTT+XML,为什么不考虑换为XMPP呢?

小结

综上所述,MQTT+JSON是目前最优方案。协议简洁清晰、易于阅读、解析和生成等,也考虑了服务器端开发者和设备端开发者的开发成本。

有关MQTT的云平台和工具

支持MQTT的云平台

目前,百度、阿里、腾讯的云平台都逐渐有了物联网开发套件:腾讯QQ物联平台内测中,阿里云物联网套件公测中,两者都需要进行申请试用,而百度云物联网套件已经支持MQTT并且可以免费试用一段时间。除了BAT三大家,下面再介绍一些其他支持MQTT的物联网云平台。

  • OneNET云平台:OneNET是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接,快速完成产品开发部署,为智能硬件、智能家居产品提供完善的物联网解决方案。OneNET云平台已经于2014年10月正式上线。
  • 云巴:云巴(Cloud Bus)是一个跨平台的双向实时通信系统,为物联网、App和Web提供实时通信服务。云巴基于MQTT,支持Socket.IO协议,支持RESTful API。

MQTT服务器

如果不想使用云平台,只是纯粹地玩一下MQTT,或者只想在内网对设备进行监控,那么可以自己本地部署一个MQTT服务器。下面介绍几款MQTT服务器:

  • Apache-Apollo:一个代理服务器,在ActiveMQ基础上发展而来,可以支持STOMP、AMQP、MQTT、Openwire、SSL和WebSockets等多种协议,并且Apollo提供后台管理页面,方便开发者管理和调试。
  • EMQ:EMQ 2.0,号称百万级开源MQTT消息服务器,基于Erlang/OTP语言平台开发,支持大规模连接和分布式集群,发布订阅模式的开源MQTT消息服务器。
  • HiveMQ:一个企业级的MQTT代理,主要用于企业和新兴的机器到机器M2M通讯和内部传输,最大程度的满足可伸缩性、易管理和安全特性,提供免费的个人版。HiveMQ提供了开源的插件开发包。
  • Mosquitto:一款实现了消息推送协议MQTT v3.1的开源消息代理软件,提供轻量级的、支持可发布/可订阅的消息推送模式。

MQTT调试工具

知道了各大平台的MQTT,同时自己也可以在内网部署MQTT服务器,那接下来没有调试工具怎么行呢,难道要用自己喜欢的语言编写一个?当然不需要。MQTT调试工具可以考虑使用HiveMQ的MQTT客户端——HiveMQ Websockets Client,这是一款基于WebSocket的浏览器MQTT客户端,支持主题订阅和发布。

MQTT与其他协议

目前各大平台都开始支持MQTT协议,MQTT相比其他协议有什么优势呢?物联网设备能不能用其他的协议呢?下面是MQTT与其他部分协议的比较,给大家作为参考。

MQTT与TCP Socket

虽然MQTT运行于TCP层之上,看起来这两者之间根本没有比较性,但笔者觉得还是有必要叙述一番,因为大多数从事硬件或嵌入式开发的工程师,都是直接在TCP层上通信的。从事嵌入式开发工作的人都应该知道LwIP,LwIP是一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈,LwIP在保证嵌入式产品拥有完整的TCP/IP功能的同时,又能保证协议栈对处理器资源的有限消耗,其运行一般仅需要几十KB的RAM和40KB左右的ROM。

也就是说,只要是嵌入式产品使用了LwIP,就支持TCP/IP协议栈,进而可以使用MQTT协议。

由于TCP协议有粘包和分包问题,所以传输数据时需要自定义协议,如果传输的数据报超过MSS(最大报文段长度),一定要给协议定义一个消息长度字段,确保接收端能通过缓冲完整收取消息。一个简单的协议定义:消息头部+消息长度+消息正文。

当然,使用MQTT协议则不需要考虑这个问题,这些MQTT都已经处理好了,MQTT最长可以一次性发送256MB数据,不用考虑粘包分包的问题。

总之,TCP和MQTT本身并不矛盾,只不过基于Socket开发需要处理更多的事情,而且大多数嵌入式开发模块本身也只会提供Socket接口供厂家自定义协议。

MQTT与HTTP

HTTP最初的目的是提供一种发布和接收HTML页面的方法,主要用于Web。HTTP是典型的C/S通讯模式:请求从客户端发出,服务端只能被动接收,一条连接只能发送一次请求,获取响应后就断开连接。该协议最早是为了适用Web浏览器的上网浏览场景而设计的,目前在PC、手机、Pad等终端上都应用广泛。由于这样的通信特点,HTTP技术在物联网设备中很难实现设备的反向控制,不过非要实现也不是不行,下面看一下Web端的例子。

目前,在微博等SNS网站上有海量用户公开发布的内容,当发布者发布消息,数据传到服务器更新时,就需要给关注者尽可能的实时更新内容。Web网站基于HTTP协议,使用HTTP协议探测服务器上是否有内容更新,就必须频繁地让客户端请求服务器进行确认。在浏览器中要实现这种效果,可以使用Comet技术,Comet是基于HTTP长连接的“服务器推”技术,主要有两种实现模型:基于AJAX的长轮询(long-polling)方式和基于Iframe及htmlfile的流(streaming)方式。这两种技术模型在这里不详细展开,有兴趣的读者可以查阅相关资料。

如果要实现设备的反向控制,可能就要用到前面提到的Comet技术。由于需要不断的请求服务器,会导致通信开销非常大,加上HTTP冗长的报文头,在节省流量上实在没有优势。

当然,如果只是单纯地让设备定时上报数据而不做控制,也是可以使用HTTP协议的。

MQTT与XMPP

最有可能与MQTT竞争的是XMPP协议。XMPP(可扩展通讯与表示协议)是一项用于实时通讯的开放技术,它使用可扩展标记语言(XML)作为交换信息的基本格式。其优点是协议成熟、强大、可扩展性强。目前主要应用于许多聊天系统中,在消息推送领域,MQTT和XMPP互相竞争。下面列举MQTT与XMPP各自的特性:

  • XMPP协议基于繁重的XML,报文体积大且交互繁琐;而MQTT协议固定报头只有两个字节,报文体积小、编解码容易;
  • XMPP基于JID的点对点消息传输;MQTT协议基于主题(Topic)发布\订阅模式,消息路由更为灵活;
  • XMPP协议采用XML承载报文,二进制必须进行Base64编码或其他方式处理;MQTT协议未定义报文内容格式,可以承载JSON、二进制等不同类型报文,开发者可以针对性的定义报文格式;
  • MQTT协议支持消息收发确认和QoS保证,有更好的消息可靠性保证;而XMPP主协议并未定义类似机制;
  • 在嵌入式设备开发中大多使用的是C语言开发,C语言解析XML是非常困难的。MQTT基于二进制实现且未定义报文内容格式,可以很好的兼顾嵌入式C语言开发者;而XMPP基于XML,开发者需要配合协议格式,不能灵活开发。
    综上所述,在嵌入式设备中,由于需要一个灵巧简洁,对设备开发者和服务端开发者都友好的协议,MQTT比XMPP更具有优势。

MQTT与CoAP

CoAP也是一个能与MQTT竞争的协议。其模仿HTTP的REST模型,服务端以URI方式创建资源,客户端可以通过GET、PUT、POST、DELETE方式访问这些资源,并且协议风格也和HTTP极为相似,例如一个设备有温度数据,那么这个温度可以被描述为:

CoAP://:/sensors/temperature
其中为设备的IP,为端口。

不过,如果使用CoAP可能会让物联网后台的情况变得复杂,比如MQTT可以实现一个最简单的IoT架构:Device + MQTT服务器 + APP,手机端或Web端可以直接从MQTT服务器订阅想要的主题。而CoAP可能需要这样的架构:CoAP + Web + DataBase + App,使用CoAP必须经过DataBase才能转给第三方。

至于CoAP和MQTT孰优孰劣,这里不作定论。不过目前来说,CoAP资料还是略少。而且,MQTT除了可以应用于物联网领域,在手机消息推送、在线聊天等领域都可以有所作为。

小结

经过以上的比较,我们可以得出如下结论:MQTT基于异步发布/订阅的实现解耦了消息发布者和订阅者,基于二进制的实现节省了存储空间及流量,同时MQTT拥有更好的消息处理机制,可以替代TCP Socket一部分应用场景。相对于HTTP和XMPP,MQTT可以选择用户数据格式,解析复杂度低,同时MQTT也可用于手机推送等领域。手机作为与人连接的入口,正好建立了人与物的连接,可谓一箭双雕。当然,其他协议也可以作为一个辅助的存在,HTTP可以为只需定时上传数据的设备服务,CoAP则更适用于非常受限的移动通信网络,表3直观地展示了上文提到的几种协议之间的优劣异同。

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