MQTT面试时复习资料(三本学生试图冲击紫光云数，失败留下)

于 2023-06-05 20:32:29 发布
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文章标签： 网络协议 json tcp/ip
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版权

物联网

定义是什么

物联网，物的互联网

  • 物，实体，设备，是主体
  • 互联网，在线，有网

现代的物联网产品一定是”物“通过某种方式接入了互联网

物联网困境

  1. 多样性的设备和协议，统一这些设备和协议，使他们能够相互通信和协调工作是一个挑战
  2. 海量设备接入，设备管理对网络带宽、通信协议以及平台服务架构都带来了巨大的挑战
  3. 不可靠的网络环境，网络环境复杂且不可靠、内存和闪存容量小、处理器能力有限
  4. 安全和隐私保护，物联网中设备长手机和传输敏感数据，安全和因素保护是至关重要的
  5. 数据处理和管理，物联网系统生成大量数据，包括数据的传输、存储、实时性处理和分析，是一个调整
  6. 互操作性和标准化，知道和遵循同一个通信标志和协议，促进设备和系统直接的互联舞台，是一个重要的难题

常用协议

  • MQTT，消息队列遥测传输协议
    • 满足低电量消耗 和 网络带宽的需求
    • 保证物联网通信可靠
  • MQTT-SN，MQTT协议传感器版本
    • 运行在UDP上
  • CoAP指令，运行在资源比较紧张的设备上的协议
    • 运行在UDP上
    • 小巧，最小数据包只有四字节
    • 采用C/S架构
    • 请求-响应的交互模式
      • 客户端发送请求
      • 服务器处理
      • 服务器生成响应
      • 服务器发送响应
      • 客户端接收响应
  • LwM2M，适合物联网的轻量级协议
    • 底层使用CoAP协议，运行在UDP或SMS之上
    • SMS，用短信作为信息传输的载体
  • HTTP，互联网广泛应用的协议
    • 适合硬件资源很充沛的设备
  • LoRaWAN协议，低功率广域网协议
    • 运行在物理层/数据链路层
    • 解决如何接入互联网的问题
    • 距离远、低功耗
    • 通过TCP或者UDP协议传输的数据协议包
  • NB-Iot，接入互联网物理机/数据链路层
    • 运行在蜂窝网络，消耗带宽低
    • 可以直接部署在GSM和LTE网络

MQTT解决了那些物联网困境

  • 低带宽和不稳定网络
  • 大规模设备管理
  • 节能和资源受限设备
  • 异构设备和交互的操作型
  • 可靠性和消息传递保证

JSON

什么是JSON

一种轻量级的数据交换格式，易于理解和使用的文本格式

本质：JSON本质就是一个字符串

字符集：必须是UTF-8，可以在字符串类型的值前加编码转义符

为什么要用JSON

为什么取代了XML，称为物联网场景数据传输的首选

JSONXML
数据体积体积小，文本格式简介
网络传输和存储占用更少带宽		体积大，使用大量标签和属性
对存储和网络要求高
解析速度解析速度快，结构简单语法清晰解析速度慢，语法复杂
阅读和编写易于阅读冗长复杂，不方便阅读
缺少注释的支持和标签的歧义性
可移植性可移植性好，独立于编程语言和平台的格式
支持很多平台原生支持JSON，无需额外库和插件没有直接集成，没有内置的支持
可嵌套性支持嵌套，可以包含对象和数字
应用领域适合数据交互，数据传输快速，轻量的场合适合数据结构复杂的表示和扩展
总结更适合物联网场景

JSON格式

格式：大括号里面是键和值

​ 键与值之间用" : “隔开
​ 键值之间用” , “隔开，最后一个键值后没有” , "
注意：

  1. 空格与换行不影响键值格式
  2. JSON中需要换行，需要在相应位置添加换行符(依照操作系统决定)
  3. 字符串中有引号，引号需要加转义
格式1：
    {
        "key":"value",	//字符串类型
        "key1":123	//数字数据类型(包括:整数、小数、负数)，没有长度限制
        "key2":{	//对象，JSON嵌套，作为key内容存在
        	"name":"迟仪鑫",
        	"qq":2488701239
    	}
		"key3":[1,2,3,4],	//数组，可以是字符串、数字，对象
		"key4":null	//空值
    }
格式2：
    {"key":"value","key1":"value1"}
	//去掉换行符，传输时节省内存和网络带宽

什么是序列化

将数据对象转换为JSON字符串的过程

​ 序列化过程中，数据对象中的属性和值被转换为JSON格式的键值，并按照JSON语法规则进行组织

什么是反序列化

将JSON字符串转换为数据对象的过程

​ 在反序列化过程中，JSON字符串被解析，键值被还原为数据对象的属性和值

MQTT协议基础

术语

  • 网络连接，基于TCP，提供有序、可靠、双向字节流传输
  • 应用消息，应用消息通过MQTT传输，关联服务质量和主题
  • 客户端，使用MQTT的程序或设备
    • 发布应用消息给相关客户端
    • 订阅以请求接受相关的应用消息、
    • 取消订阅以移除接受应用消息的请求
    • 从服务器断开连接
  • 服务端，作为发送消息的客户端和请求订阅客户端之间的中介
    • 接受来自客户端的网络连接
    • 接受客户端发布的应用消息
    • 处理客户端的订阅和取消订阅请求
    • 转发应用消息给符合条件的客户端订阅
  • 订阅，包含一个主题过滤器和一个最大的服务质量的风景
  • 主题名，附加在消息生的一个标签
  • 主题过滤器，订阅中包含一个表达式，用于标识一个或多个主题
  • 会话，客户端和服务端之间的状态交互
  • 控制报文，通过网络连接发送的信息数据包

什么是MQTT

一个客户端/服务端架构的**“发布/订阅"模式的"轻量级”**的消息传输协议，被设计为高效、简单和2易于实现，适用于各种网络环境和设备
MQTT协议是应用层协议
MQTT协议基于TCP/IP协议

MQTT传输是以数据报进行传输，传输是以二进制形式进行的

注意：

  • MQTT是一种协议
  • MQTT.fx是一种工具

消息队列遥测

  1. 最初是连接传参设备和传感器，实现物联网通信
  2. 传输时，使用队列进行存储和管理，确保消息可靠和异步处理
  3. 遥测，值MQTT协议传输和收集来自远程设备的遥测数据
与消息队列区别
消息队列MQTT
创建发送消息前要创建队列可以直接订阅主题，发送消息
消息读走后消息消失没人读，消息丢弃
设备一对一一对一，一对多，多对一

数据特点

  1. 轻量级，协议头部信息小，有效减少了数据传输的开销，适合带宽有限的网络环境
  2. 保留消息，新的消息保留在代理服务器上，新的订阅者订阅使可以接收到最新的消息
  3. 心跳机制，保证客户端和代理服务器之间会定期发送心跳消息
  4. 安全性，MQTT提高了多种安全机制保护通信安全
    1. 加密传输数据
    2. 身份验证
    3. 访问控制列表
  5. 消息保留和持久性，设备在离线期间仍可以接收到最新的消息，确保重要消息可靠传递
  6. 可扩展性，从小型部署到到大型全球部署都有应用
  7. 易于集成和实现，MQTT协议是简单、清晰且易于实现的，机会可以在任何平台和编程语言上进行开发

传输特点

  1. 采用TCP协议的应用层
  2. 采用C/S架构，客户端©，代理服务器(S)
  3. 使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接收方解耦
  4. Qos有三种类型
  5. 、收发异步，发送方不需要等待收发应答

订阅/发布

发布时，设备将信息发布给代理，代理接收到数据转发给订阅设备

  • 一对一
  • 一对多，类似于广播
  • 多对一，物联网场景，多个传感器对应一个客户端
订阅发布机制

消息处理：代理接收到发布者的消息，将该消息转发给当前订阅者，如果没有订阅者则消息会被丢弃

会话存储：将消息存储在独立于代理的持久会话中，即使订阅者断开，会话不会消息，发布者发布消息会存储进持久会话中，这些消息等到客户端再次上线不需要重新订阅，就会拿到消息

优点：

  1. 安全，通信双方不需要直接相连，双方不知道对方的代理，不需要暴露给所有人
  2. 代理长期在线，持久性连接，实时消息传递，离线消息处理，复杂均衡和容错性、高可靠和持久性
  3. 一个主题可以有多个发布者或多个接收者

中网和特性：发布者不知道订阅者是否成功接收，需要添加请求和应答机制

特性

​ 客户端订阅和发布消息时，相互独立，空间上可以分离，时间上可以异步

  • 相互可独立，客户端独立，彼此不知道
  • 空间可分离，客户端彼此可以不在一个地方
  • 时间可异步，信息发送和接收无需同步

网络层

最底层是TCP/IP，利于保证简单和易于实现的特点，降低集成难度
对于消息有序、可靠的要求上，MQTT和TCP目标是一致的
注意：TCP仍有可能因为网络断开而丢失消息

消息可靠

  1. MQTT通过消息服务和持有规划机制共同保证了消息的可靠到达，最大程度上避免了消息丢失

    1. 消息等级0，消息可能会丢失，完全依赖TCP
    2. 消息等级1，消息不会丢失，但可能重复
    3. 消息等级3，消息不会对手也不会重复

  2. 假死状态

    ​ 客户端定期发送心跳包报文

  3. 遗嘱消息

    ​ 客户端在意外断开连接时发送一条预定义的消息给代理服务器，这个消息叫做遗嘱消息

    ​ 遗嘱消息是用于通知其他阅览相同主题的客户端，发布者已经离线或连接中断

  4. 保留消息

​ 在代理外部添加消息存储或消息队列系统，代理并不会保留消息

​ 代理会保留某一主题发布的最后一条消息，当订阅端上线并重新订阅这个主题是，代理会将保留的消息进行下发

MQTT通信

主题(topic)/通配符

  • 编码，UTF-8

  • 最大长度，65535

  • 区分大小写

  • 可以通过"/"划分主题层级

    • 配合主题通配符，一次订阅多个主题

      • +：单层通配符

        • 一个主题可以出现多个单层通配符
        • 可以在任意位置

      • #：多层通配符，包括0个层级

        • home/#
可以匹配home

        • 必须是主题最后一个字符

      • 可以在主题中同时使用单层通配符和多次通配符

注意：

  1. 通配符必须独自占用一个层级
  2. 通配符只能在订阅和取消订阅是使用
  3. 系统消息，$开头的主题仅供服务器使用，客户端禁止使用，但客户端可以订阅该主题
    1. 通配符并不会匹配带$的主题，该主题需要进行单独订阅
  4. topic和topic类不同
    1. topic是消息传输的中介
    2. 同一产品下不同设备的Topic集合，用${deviceName}同配唯一的设备

主题规范

  1. 不建议以" / "开头或结尾
  2. 尽量使用ASCII字符
  3. 不建议在主题使用空格
  4. 不建议使用#订阅所有主题
  5. 尽量使用简洁的主题
  6. 在主题中包含标识信息

通信流程

  1. 发布方和订阅方都建立到了代理的TCP连接
  2. 订阅方告诉代理它要订阅的主题
  3. 发布方将消息发送到代理，指定消息的主题
  4. 代理接收到消息后，检查都有那些订阅方订阅了这个主题，将消息发送到这些订阅方
  5. 订阅方从代理获取该消息
  6. 如果某个订阅方离线，代理可以帮它保存消息，订阅方下次连接代理是，再将保存的消息发送给订阅方

代理功能

  • 对客户端接入进行授权，对客户端进行权限控制
  • 横向扩展，满足海量客户端的接入
  • 较好的接入性，接入现有的业务系统
  • 易于监控，满足高可用性

常用代理

Mosaquitto、EMQ X、HiveMQ、VerneMQ

报文格式

格式：二进制数据包

作用：MQTT通过交换预定义的MQTT控制报文来通信

组成：固定报头、可变报头、有限载荷

组成含义包含
固定报头必须存在，用于描述报文信息。数据包类型、对应标识、数据包大小
可变报头不一定存在。主要看什么样子类型的报文由数据包决定
有效载荷部分内容。也是通信信息存放的地方。知识有时候会存放一些额外的信息，如：客户ID具体数据

固定报头

大小：2byte

组成：

  • MQTT报文类型，0.5byte(4~7)
  • 指定控制报文类型的标志位，0.5byte(0~3)
  • 剩余长度，1~4字节，表示当前报文剩余部分字节数
    • 小于128的值，使用单字节编码
    • 大于128的值，使用低7位标识有效位，最高位标识是否有更多字节(延续)
数据包类型
名称值方向描述
Reserved0不可用保留位
CONNECT1Client到Brokerclient请求连接到Broker
CONNACK2Broker到Client连接确认
PUBLISH3双向发布消息
PUBACK4双向发布确认
PUBREC5双向发布收到
PUBREL6双向发布释放
PUBCOMP7双向发布完成
SUBSCRIBE8Client到BrokerClient请求订阅
SUBACK9Broker到Client请阅确认
UNSUBSCRIBE10Client到Brokerclient请求取消订阅
UNSUNACK11Broker到Client取消订阅确认
PINGREQ12Client到BrokerPING请求
PINGREQ13Broker到ClientPING应答
DISCONNECT14Client到BrokerClient主动中断连接
Reserved15不可以保留位
数据包标识位
数据包标识位Bit3Bit2Bit1Bit0
CONNECT保留位0000
CONNACK保留位0000
PUBLISHMQTT 3.1.1使用DUPQoSQoSRETAIN
PUBACK保留位0000
PUBREC保留位0000
PUBREL保留位0000
PUBCOMP保留位0000
SUBSCRIBE保留位0000
SUBACK保留位0000
UNSUBSCRIBE保留位0000
UNSUBACK保留位0000
PINGREQ保留位0000
PINGRESP保留位0000
DISCONNECT保留位0000

可变报头

组成：协议名、协议级别、连接标志、保持连接

有效载荷

组成：客户端标识符、用户名、密码

连接与断联流程

建立连接

在进行订阅发布直接需要连接到代理

流程：

  1. Client向代理发送一个connect数据包
  2. 代理收到数据包后进行回复
    1. 成功，回复一个connect包，该包的返回码为0
    2. 失败，回复一个connect包，该包的返回码为非0，数值表示失败的原语
Connect包

  • 固定头，数据包字段值为1，数据包标识位保留

  • 可变头，协议名称、协议版本、连接表示、Keepale

    • 协议名称，“04MQTT”，UTF-8字符集
    • 协议版本为一个字节
      • MQTT3.1，版本号为3
      • MQTT3.1.1，版本号为4
      • MQTT5，版本号为5
    • 链接标识 ，1字节，如果两个客户端使用相同的标识连接，第二个连接成功后第一个将断开
    值76543210
    用户名标识密码标识遗愿消息标识(Retain)遗愿消息标识(Qos)遗愿消息标识(Qos)遗愿标识会话清除标识(clean)保留
    是否有用户名字段是否有密码字段是否保留消息遗愿消息等级高位遗愿消息等级低位是否使用遗愿消息是否建立持久会话

  • 消息体，客户端标识符、遗愿主题、遗愿QOS、遗愿消息、用户名和密码

    • 客户端标识符，标识client的字段
    • 用户名，存在，代理会对用户名和密码进行验证zz
    • 密码，存在，代理会对用户名和密码进行验证
    • 遗愿主题，client非正常断开连接时，代理向遗愿主题发布该字段指定的内容
    • 遗愿消息，client非正常断开连接时，发布该字段指定的内容
Connect ACK包

  • 固定报头，数据包字段值为2，标识位保留，剩余长度固定为2

  • 可变报头，固定两字节

    • 确认标识，1~7位固定为0，0位为0或1

    • 返回码，表示是否连接成功

    • Return Code连接状态
      0连接已建立
      1连接被拒绝，不允许的协议版本
      2连接被拒绝，Client Identifier(标识)被拒绝
      3连接被拒绝，服务器不可用
      4连接被拒绝，错误的用户名或密码
      5连接被拒绝，未授权

断开连接

Client主动断开连接

步骤：

  1. Client主动向Broket发送一个Dis Connect数据包
  2. 关闭底层TCP连接

为什么不直接断开TCP：

  • 发送后断开，代理知道结束数据传输，不会发送遗嘱消息
  • 直接断开TCP，代理会认为异常断开，发送遗嘱消息
DISCONNECT报文
  • 只有固定报头
    • 数据类型为14，DISCONNECT
    • 标识位保留
    • 剩余长度为0
Broket主动断开连接

broket主动断开，长时间没有收到Broekt数据包

方式：直接关闭底层TCP

注意：MQTT库实现的client被动断开后自动重连

订阅与发布的流程

发布消息

  1. 客户端A连接到代理
  2. 客户端B连接到代理，并订阅Topic1
  3. 客户端A给代理发送一个数据包，该包主题为Topic1
  4. 代理收到客户端1发送的消息，发现客户端B订阅了Topic1，通过发送PUBLISH数据包方式将消息转发到ClientB
  5. ClientB从代理接收到该消息

为什么先订阅后发布：如果先发布后订阅，则代理看见该消息没有订阅者，则该消息会被丢弃

publish数据包

作用：用于在Sender和Receiver之间传输消息

报文：

  1. 固定头
    1. 数据包类型，值为3
    2. 标志位
      1. 消息重复标识(DUP)，1bit，为1时，该消息为重发消息
      2. Qos，2bit，代表服务质量等级
      3. retain标识，1bit，当为1时，代理保存该消息
    3. 数据包剩余长度
  2. 可变头
    1. 主题名，2字节(0~65535)，UTF-8编码
    2. 包标识符(Packet Identifier)，只会在Qos1或Qos2的情况下出现
  3. 消息体，该数据包要发送的数据，可以是二进制、文本或JSON
puback包
  1. 固定头，数据包类型，值为3，标志位保留，数据长度为2
  2. 可变头，2字节标识符
  3. 消息体，不存在

订阅消息

  1. 客户端向代理发送一个SUBSCRIBE数据包，该包包含了Client想要订阅的主题及其他参数
  2. 代理接收到SUBSCRIBE数据包后，向Client发送给SUBACK数据包作为应答
SUBSCRIBE数据包
  1. 固定报头
    1. 数据包类型，固定为8
    2. 数据包标志位，保留
    3. 数据包剩余长度
  2. 可变报头，1~2字节，唯一标识一个数据包
  3. 消息体，主要由主题列表构成，Client想要订阅的主题，可以通过通配符同时订阅多个主题，必须是一个UTF-8的编码
    • SUBSCRIBE，该主题叫做主题过滤器
    • Qos，消息等级
SUBACK数据包
  1. 固定报头，数据包类型为9，数据包标识位保留，数据包剩余长度
  2. 可变报头，2byte包标识符
  3. 消息体，返回码，与主题列表对应，每个返回码为1Byte
返回码含义
0订阅成功，最大可以Qos为0
1订阅成功，最大可以Qos为1
2订阅成功，最大可以Qos为2
128订阅失败

取消订阅

  1. client向Brokey发送一个UNSUBSCRIBE数据包，其中Client想要取消订阅的主题
  2. 代理收到UNSUNSCRIBE数据包后，Client发送一个UNSUBACK数据包作为应答
UNSUBSCRIBE数据包
  1. 固定头，数据包类型为10，数据包标识位为保留，数据包剩余长度
  2. 可变头，2字节标识符
  3. 消息体，包含要取消订阅的主题过滤器列表
    • 注意：取消时通配符没有作用
UNSUBACK数据包
  1. 固定头，数据包类型为11，数据包标识位为保留，数据包剩余长度为2
  2. 可变头，2字节标识符
  3. 消息体，不存在

MQTT Qos

MQTT保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传

​ 注意：这个保证是客户端和代理之间的

  • Qos=0，至多一次，没有应答机制
  • Qos=1，至少一次，有应答机制
  • Qos=1，只有一次

Qos0

发送到向接收端发送一个包含数据的PUBLISH数据包，不会关注最终结果

优点：占用资源最少

缺点：信息是否可靠由网络状况决定

Qos1

在Qos0的基础上添加了应答机制

  1. 发送端发送PUBLISH数据包，并在本地保存
  2. 接收端接收到这个数据包后，向发送到发送确认包
  3. 发送端收到确认包后，找到本地保存的数据包并删除
  4. 若发送端在接收到确认包前会一直向发送端发送

Qos2

  1. 发送端发送消息，发布者将消息发送给接收端
  2. 接收端确认接收后，向发送者发送PUBREC消息，表示确认接收
  3. 发布者确认，接收到PUBREC消息后，向代理发送一个PUBREL消息表示接收确认的回应
  4. 消息代理确认完成，接收到PUBREL消息后，会向发布者发送一个PUBCOMP消息，表示消息发布的最终确认

服务降级

服务端会选项发布消息和订阅消息中较低的Qos来实现消息传输，这也被称作服务降级

保留消息

作用

  1. 客户端一但订阅主题，可以立即获得该主题的消息

注意

  • 每一个主题只有一个保留消息
  • 订阅一个主题后只能收到一个保留消息
  • 保留消息为空时，表示保留消息被闪存

MQTT保活

仅仅是TCP层连接状态检测是不够的，MQTT有一套Keepalive机制

​ 传递时MQTT从换地Keepalive参数，MQTT越低在1.5XKeepalive的时间间隔内，如果代理没有收到来自Client的任何数据包，则认为带了和Client之间的连接以及断开

通过PINGREQ/PINGRESP数据包满足Keepalive的约定和连接的侦测

PINGREQ数据包

  1. 固定头，数据包类型为12，数据包标识保留，剩余长度固定为0
  2. 可变报头没有
  3. 消息体没有

PINGRESP数据包

  1. 固定头，数据包类型为13，数据包标识保留，剩余长度固定为0
  2. 可变报头没有
  3. 消息体没有

注意

  1. 如果在间隔时间内有数据包传输，则client没有在使用PINGREQ的必要了
  2. Keepalive的值是由Client指定的，不同的Client可以指定不同的值
  3. Keepalive的最大值为18个小时12分15秒
  4. keepalive的值如果设为0，代表不使用Keepalive机制

UDP/TCP

区别是什么

特点UDPTCP
是否由连接无连接有链接
传输基本单位数据包数据流
传输速度传输速度快，且天生高并发传输速度较慢
可靠性不可靠可靠

udp传输基本单位

基本单位：数据包

​ UDP数据包是一个独立的，完整的数据单元，它具有包含源和目的端口号的头部信息

​ 每个数据包都是独立的，可以独立地接收和发送不会受到其他数据报的影响

TCP传输基本单位

基本单位：数据流

​ 将应用城市数据视为一系列字节，没有固定的分隔单位。TCP协议在发送数据时，会将数据流切分成合适的大小，添加TCP头部信息，封装成TCP段进行传输

​ TCP会重新组装收到的TCP段，还原为原始的字节流

为什么UDP高并发

  • 无连接性
  • 简单的头部格式
  • 较低的开销
  • 实时性要求
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