MQTT 5 通訊協定在物聯網領域中扮演著重要的角色,其輕量級和高效的特性使其成為資源受限裝置的理想選擇。新版本 MQTT 5 引入了許多增強功能,進一步提升了其在物聯網應用中的效能和安全性。其中一項重要的改進是會話過期計時器,它允許伺服器在一段時間後自動清除閒置的會話,從而減少伺服器資源的消耗。此外,MQTT 5 還引入了使用者屬性,允許開發者在訊息中新增自定義的後設資料,例如時間戳、裝置ID 等,從而提高了訊息的上下文資訊和可追溯性。安全性方面,MQTT 5 新增了 AUTH 封包型別,提供更強的使用者身份驗證和授權機制,增強了物聯網通訊的安全性。同時,MQTT 5 的封包結構也進行了最佳化,提高了訊息傳輸的效率和可靠性。
會話過期計時器
在 MQTT 5 中,當使用者未在指定時間內連線伺服器時,會話將被丟棄。這減少了伺服器的工作負擔,也使得使用者可以更方便地管理會話。與 MQTT 3.1.1 相比,後者需要使用者重新連線以清除會話狀態。
簡化的狀態管理
MQTT 5 引入了簡化的狀態管理機制,稱為簡化狀態管理。這個機制使用會話過期計時器和清除啟動狀態來管理使用者的會話狀態。
使用者屬性
MQTT 5 引入了使用者屬性,允許使用者在封包頭部嵌入自訂的鍵值對或屬性。這個功能類似於 HTTP 和 AMQP 中的頭部後設資料。使用者屬性可以用於傳遞自訂的後設資料,例如語言和編碼等。
MQTT 封包結構
MQTT 封包結構包括一個 2 個位元組的固定頭部、可變長度的頭部和有效載荷。MQTT 5 封包結構與 MQTT 3.1.1 相比,增加了使用者屬性和會話過期計時器等功能。
內容解密:
MQTT 5 的新功能和改進使得其在物聯網和其他應用領域中具有更強的適應性和擴充套件性。會話過期計時器和簡化的狀態管理機制可以減少伺服器的工作負擔和使用者的管理複雜度。使用者屬性可以用於傳遞自訂的後設資料,增加了 MQTT 的擴充套件性和互操作性。
import paho.mqtt.client as mqtt
# 建立 MQTT 客戶端
client = mqtt.Client()
# 設定使用者屬性
client.user_properties = {"Unit": "Celsius"}
# 連線 MQTT 伺服器
client.connect("localhost", 1883)
# 訂閱主題
client.subscribe("temperature")
# 發布訊息
client.publish("temperature", "25", user_properties=client.user_properties)
圖表翻譯:
flowchart TD A[MQTT 5] --> B[會話過期計時器] B --> C[簡化狀態管理] C --> D[使用者屬性] D --> E[MQTT 封包結構] E --> F[發布訊息] F --> G[訂閱主題] G --> H[連線 MQTT 伺服器] H --> I[建立 MQTT 客戶端]
這個圖表展示了 MQTT 5 的新功能和改進,包括會話過期計時器、簡化的狀態管理、使用者屬性和 MQTT 封包結構等。它還展示瞭如何使用這些功能來發布訊息和訂閱主題。
MQTT 5 協議的新功能和改進
MQTT 5 是一種物聯網(IoT)通訊協議,提供了多種新功能和改進,以增強其在物聯網應用的實用性和安全性。其中一個重要的新功能是使用者屬性(User Properties),它允許使用者在 MQTT 訊息中新增自定義的金鑰值對。
使用者屬性可以用於多種目的,例如在 MQTT 訊息中新增時間戳、系統 ID 或其他自定義資料。這個功能可以提高不同平臺、廠商和開發團隊之間的互操作性,因為它們可以使用不同的資料格式,例如 JSON 物件、壓縮資料、加密資料、原始文字、二進位資料或 XML,並確保其訊息可以被正確地傳遞和處理。
另一個重要的新功能是 AUTH 封包型別,它可以用於使用者身份驗證和授權。這個功能可以提高 MQTT 的安全性和可靠性,特別是在需要高安全性和可靠性的應用中。
MQTT 5 還改進了傳回碼(Reason Codes)的功能,允許客戶端更好地瞭解為什麼某個封包、訊息或事件失敗。這個功能可以提高錯誤報告和除錯的效率,特別是在大型和複雜的系統中。
此外,MQTT 5 支援多種資料型別,包括位元、兩位元整數、四位元整數、UTF-8 編碼字串、可變位元整數和二進位資料。這個功能可以提高 MQTT 的靈活性和適用性,特別是在需要處理不同型別資料的應用中。
MQTT 5 的使用者屬性和 AUTH 封包型別
MQTT 5 的使用者屬性和 AUTH 封包型別可以提高 MQTT 的安全性和可靠性。使用者屬性可以用於新增自定義的金鑰值對到 MQTT 訊息中,而 AUTH 封包型別可以用於使用者身份驗證和授權。
使用者屬性
使用者屬性可以用於多種目的,例如在 MQTT 訊息中新增時間戳、系統 ID 或其他自定義資料。這個功能可以提高不同平臺、廠商和開發團隊之間的互操作性,因為它們可以使用不同的資料格式,例如 JSON 物件、壓縮資料、加密資料、原始文字、二進位資料或 XML,並確保其訊息可以被正確地傳遞和處理。
AUTH 封包型別
AUTH 封包型別可以用於使用者身份驗證和授權。這個功能可以提高 MQTT 的安全性和可靠性,特別是在需要高安全性和可靠性的應用中。
MQTT 5 的傳回碼
MQTT 5 的傳回碼可以用於提供更多的錯誤資訊和除錯資訊。傳回碼可以用於指示為什麼某個封包、訊息或事件失敗,從而提高錯誤報告和除錯的效率。
傳回碼的型別
MQTT 5 支援多種傳回碼,包括:
- CONNACK:連線確認傳回碼
- PUBACK:釋出確認傳回碼
- PUBREC:釋出接收傳回碼
- PUBREL:釋出釋放傳回碼
- PUBCOMP:釋出完成傳回碼
- UNSUBACK:取消訂閱確認傳回碼
- DISCONNECT:斷開連線傳回碼
- SUBACK:訂閱確認傳回碼
- AUTH:身份驗證傳回碼
MQTT 5 的資料型別
MQTT 5 支援多種資料型別,包括:
- 位元
- 兩位元整數
- 四位元整數
- UTF-8 編碼字串
- 可變位元整數
- 二進位資料
這些資料型別可以用於不同的應用中,例如在物聯網應用中使用二進位資料來傳遞感測器資料。
MQTT 5 資料型別格式與封包對應
MQTT 5 中的資料型別格式與封包對應是一個重要的概念,以下是相關的資料型別格式與封包對應表:
名稱 | 型別 | 封包/Will 屬性 |
---|---|---|
Payload Format Indicator | Byte | PUBLISH, Will 屬性 |
訊息過期間隔 | 四位元組整數 | PUBLISH, Will 屬性 |
內容型別 | UTF-8 編碼字串 | PUBLISH, Will 屬性 |
回應主題 | UTF-8 編碼字串 | PUBLISH, Will 屬性 |
相關資料 | 二進位資料 | PUBLISH, Will 屬性 |
訂閱識別碼 | 變數長度整數 | PUBLISH, SUBSCRIBE |
會話過期間隔 | 四位元組整數 | CONNECT, CONNACK, DISCONNECT |
指派使用者端識別碼 | UTF-8 編碼字串 | CONNECT, CONNACK |
這個表格顯示了 MQTT 5 中的各種資料型別格式與對應的封包或 Will 屬性。瞭解這些資料型別格式與封包對應是實現 MQTT 5 通訊協定的關鍵。
內容解密:
MQTT 5 中的資料型別格式與封包對應是設計用來提供更好的通訊協定擴充性和靈活性。例如,Payload Format Indicator 可以用來指示 payload 的格式,而內容型別可以用來指定 payload 的內容型別。這些資料型別格式與封包對應可以幫助開發者實現更複雜的 MQTT 5 應用程式。
flowchart TD A[MQTT 5] --> B[資料型別格式] B --> C[Payload Format Indicator] B --> D[內容型別] B --> E[相關資料] B --> F[訂閱識別碼] B --> G[會話過期間隔] B --> H[指派使用者端識別碼]
圖表翻譯:
上述的 Mermaid 圖表顯示了 MQTT 5 中的資料型別格式與封包對應的關係。圖表中,MQTT 5 是起點,資料型別格式是主要的分支,各個資料型別格式(如 Payload Format Indicator、內容型別等)都是從資料型別格式分支出來的。這個圖表可以幫助開發者快速瞭解 MQTT 5 中的資料型別格式與封包對應的結構。
MQTT 通訊協定深度剖析
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一種廣泛使用的物聯網通訊協定,特別適合於低頻寬和高延遲的網路環境。它是一種輕量級的、根據發布/訂閱模式的通訊協定,允許裝置之間進行高效的通訊。
CONNECT 封包
當一個客戶端連線到 MQTT 伺服器時,它會傳送一個 CONNECT 封包。這個封包包含了客戶端的識別資訊、通訊協定的版本號、以及其他一些選擇性的引數。
CONNECT 封包格式
CONNECT 封包的格式如下:
CONNECT
:一個 7 個位元組的字串,表示這是一個 CONNECT 封包。Protocol Name
:一個字串,表示通訊協定的名稱(通常是 “MQTT”)。Protocol Version
:一個位元組,表示通訊協定的版本號。Connect Flags
:一個位元組,包含了一些標誌,例如是否需要認證、是否需要保留會話等。Keep Alive
:一個 16 位元的整數,表示客戶端和伺服器之間的保活間隔(以秒為單位)。
CONNECT 封包範例
以下是一個 CONNECT 封包的範例:
CONNECT
Protocol Name: MQTT
Protocol Version: 4
Connect Flags: 0x02 (CLEAN_SESSION)
Keep Alive: 60
CONNACK 封包
當 MQTT 伺服器收到一個 CONNECT 封包後,它會傳送一個 CONNACK 封包作為回應。這個封包包含了伺服器的回應程式碼、以及一些其他的資訊。
CONNACK 封包格式
CONNACK 封包的格式如下:
CONNACK
:一個 7 個位元組的字串,表示這是一個 CONNACK 封包。Session Present
:一個位元組,表示是否需要保留會話。Return Code
:一個位元組,表示伺服器的回應程式碼。
CONNACK 封包範例
以下是一個 CONNACK 封包的範例:
CONNACK
Session Present: 0x01
Return Code: 0x00 (CONNECTION_ACCEPTED)
AUTH 封包
如果伺服器需要認證,客戶端會傳送一個 AUTH 封包。這個封包包含了客戶端的認證資訊。
AUTH 封包格式
AUTH 封包的格式如下:
AUTH
:一個 5 個位元組的字串,表示這是一個 AUTH 封包。Authentication Method
:一個字串,表示認證方法(例如 “username”、“password” 等)。Authentication Data
:一個二進位制資料,包含了認證資訊。
AUTH 封包範例
以下是一個 AUTH 封包的範例:
AUTH
Authentication Method: username
Authentication Data: <username>
Will Delay Interval
Will Delay Interval 是一個可選的引數,表示當客戶端斷線時,伺服器應該延遲多久才傳送 Will 訊息。
Will Delay Interval 格式
Will Delay Interval 的格式如下:
Will Delay Interval
:一個 32 位元的整數,表示延遲時間(以秒為單位)。
Will Delay Interval 範例
以下是一個 Will Delay Interval 的範例:
Will Delay Interval: 30
會話保活
MQTT 伺服器和客戶端之間的會話保活是透過 Keep Alive 機制實現的。客戶端會定期傳送 PINGREQ 封包給伺服器,伺服器收到後會傳送 PINGRESP 封包作為回應。如果伺服器在保活間隔內沒有收到客戶端的 PINGREQ 封包,則會認為客戶端已經斷線。
會話保活範例
以下是一個會話保活的範例:
PINGREQ
Client: <client_id>
PINGRESP
Server: <server_id>
圖表翻譯
以下是一個 MQTT 通訊協定的流程圖:
flowchart TD A[客戶端] -->|CONNECT|> B[伺服器] B -->|CONNACK|> A A -->|AUTH|> B B -->|AUTH|> A A -->|PINGREQ|> B B -->|PINGRESP|> A
這個流程圖顯示了客戶端和伺服器之間的 MQTT 通訊協定流程,包括 CONNECT、CONNACK、AUTH、PINGREQ 和 PINGRESP 封包。
MQTT 通訊協定深度剖析
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一種輕量級的物聯網通訊協定,廣泛應用於物聯網、IoT 專案中。它是一種根據釋出/訂閱模式的通訊協定,允許裝置之間進行高效的通訊。
MQTT 通訊協定架構
MQTT 通訊協定由三個主要元件組成:客戶端、代理伺服器和主題。客戶端是指連線到代理伺服器的裝置,代理伺服器負責管理主題和轉發訊息,主題是指訊息的類別。
MQTT 通訊協定工作流程
- 連線: 客戶端傳送連線請求(CONNECT)到代理伺服器,代理伺服器回應連線確認(CONNACK)。
- 訂閱: 客戶端傳送訂閱請求(SUBSCRIBE)到代理伺服器,代理伺服器回應訂閱確認(SUBACK)。
- 釋出: 客戶端傳送釋出請求(PUBLISH)到代理伺服器,代理伺服器轉發訊息到相關主題的客戶端。
- 取消訂閱: 客戶端傳送取消訂閱請求(UNSUBSCRIBE)到代理伺服器,代理伺服器回應取消訂閱確認(UNSUBACK)。
- 斷開連線: 客戶端傳送斷開連線請求(DISCONNECT)到代理伺服器,代理伺服器回應斷開連線確認。
MQTT 通訊協定訊息格式
MQTT 通訊協定訊息格式包括以下幾個部分:
- 固定頭: 1 個位元組,包含訊息型別和旗標。
- 可變頭: 1-4 個位元組,包含訊息相關的資訊,例如主題名稱、訊息 ID 等。
- payload: 0-65535 個位元組,包含訊息的實際內容。
MQTT 通訊協定優點
- 輕量級: MQTT 通訊協定非常輕量級,適合應用於資源有限的裝置。
- 高效: MQTT 通訊協定使用釋出/訂閱模式,允許裝置之間進行高效的通訊。
- 可靠: MQTT 通訊協定提供了可靠的訊息傳遞機制,確保訊息不會丟失或重複。
MQTT 通訊協定應用場景
- 物聯網: MQTT 通訊協定廣泛應用於物聯網專案中,例如智慧家居、工業自動化等。
- IoT: MQTT 通訊協定也應用於 IoT 專案中,例如車聯網、智慧城市等。
內容解密:
以上內容介紹了 MQTT 通訊協定的一些基本概念和工作流程。MQTT 通訊協定是一種輕量級的通訊協定,適合應用於資源有限的裝置。它提供了高效和可靠的訊息傳遞機制,廣泛應用於物聯網和 IoT 專案中。
圖表翻譯:
sequenceDiagram participant 客戶端 participant 代理伺服器 Note over 客戶端,代理伺服器: 連線請求 客戶端->>代理伺服器: CONNECT 代理伺服器->>客戶端: CONNACK Note over 客戶端,代理伺服器: 訂閱請求 客戶端->>代理伺服器: SUBSCRIBE 代理伺服器->>客戶端: SUBACK Note over 客戶端,代理伺服器: 釋出請求 客戶端->>代理伺服器: PUBLISH 代理伺服器->>客戶端: PUBACK Note over 客戶端,代理伺服器: 取消訂閱請求 客戶端->>代理伺服器: UNSUBSCRIBE 代理伺服器->>客戶端: UNSUBACK Note over 客戶端,代理伺服器: 斷開連線請求 客戶端->>代理伺服器: DISCONNECT 代理伺服器->>客戶端: DISCONNECT
以上圖表展示了 MQTT 通訊協定的工作流程,包括連線、訂閱、釋出、取消訂閱和斷開連線等步驟。
MQTT 通訊協定深度剖析
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一種廣泛使用的物聯網通訊協定,尤其在資源有限的裝置和低頻寬的網路中。它的設計宗旨是提供一個輕量級、可靠且高效的訊息傳遞機制。
CONNECT 和 CONNACK 封包
當一個客戶端想要連線到 MQTT 伺服器時,它會傳送一個 CONNECT 封包。這個封包包含了客戶端的識別資訊、通訊協定版本等基本資訊。伺服器在收到 CONNECT 封包後,會回應一個 CONNACK 封包,表示連線是否成功。
CONNECT 封包中的重要欄位
- Protocol Name: 通訊協定名稱,固定為 “MQTT”。
- Protocol Level: 通訊協定版本,目前最常用的版本是 3.1.1 和 5.0。
- Clean Session: 指示是否為清除會話,若為真,伺服器在客戶端斷開連線時會刪除所有相關的會話資訊。
- Client ID: 客戶端的唯一識別符號。
CONNACK 封包中的重要欄位
- Session Present: 指示伺服器是否保留了上一次會話的資訊。
- Return Code: 連線結果的程式碼,0 表示連線成功。
PUBLISH 封包
PUBLISH 封包用於釋出訊息。它包含了訊息的主題(Topic)、訊息體(Payload)以及相關的屬性(Properties)。
PUBLISH 封包中的重要欄位
- Topic Name: 主題名稱,用於路由訊息。
- QoS: 服務質量(Quality of Service),決定了訊息傳遞的保證級別,分為 0(最多一次)、1(至少一次)和 2(恰好一次)。
- Retain: 保留標誌,若為真,伺服器會保留這條訊息,直到有一個新的訊息釋出到相同的主題。
SUBSCRIBE 和 SUBACK 封包
SUBSCRIBE 封包用於客戶端訂閱主題,SUBACK 封包是伺服器對 SUBSCRIBE 的回應。
SUBSCRIBE 封包中的重要欄位
- Topic Filters: 主題過濾器,用於指定客戶端想要訂閱的主題。
- QoS: 服務質量,指定了客戶端期望的訊息傳遞保證級別。
SUBACK 封包中的重要欄位
- Return Codes: 一系列的傳回碼,對應於每一個主題過濾器,表示訂閱的結果。
UNSUBSCRIBE 和 UNSUBACK 封包
UNSUBSCRIBE 封包用於客戶端取消訂閱主題,UNSUBACK 封包是伺服器對 UNSUBSCRIBE 的回應。
UNSUBSCRIBE 封包中的重要欄位
- Topic Filters: 主題過濾器,用於指定客戶端想要取消訂閱的主題。
UNSUBACK 封包
- UNSUBACK 封包沒有任何有效載荷,僅用於確認取消訂閱的請求已被處理。
DISCONNECT 封包
DISCONNECT 封包用於客戶端或伺服器發起的正常斷開連線。
DISCONNECT 封包中的重要欄位
- Reason Code: 斷開連線的原因程式碼。
- Properties: 可選的屬性,用於提供額外的資訊。
AUTH 封包
AUTH 封包用於在連線過程中進行身份驗證。
AUTH 封包中的重要欄位
- Reason Code: 驗證的結果程式碼。
- Properties: 可選的屬性,用於提供額外的資訊。
Maximum Packet Size
Maximum Packet Size 是 MQTT 協定中的一個重要引數,指定了單個 MQTT 封包的最大大小。這個引數在 CONNECT 和 CONNACK 封包中被交換,以確保客戶端和伺服器都知道對方可以接受的最大封包大小。
Wildcard Subscription
Wildcard Subscription 是 MQTT 中的一個功能,允許客戶端使用萬用字元(+ 和 #)來訂閱多個主題。這使得客戶端可以方便地接收到一組相關主題的訊息。
MQTT 通訊協定格式
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一種輕量級的物聯網通訊協定,廣泛用於物聯網裝置之間的資料傳輸。下面將介紹 MQTT 通訊格式的詳細內容。
CONNECT 訊息格式
當 client 想要連線到 broker 時,會傳送一個 CONNECT 訊息給 broker。這個訊息包含了 client 的相關資訊,例如 client ID、username、password 等。broker 收到 CONNECT 訊息後,會回應一個 CONNACK 訊息,包含了連線的狀態碼。
CONNECT 訊息結構
CONNECT 訊息的結構如下:
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
|C| Flags | OPCODE | MQTT Len | Payload |
其中,C
代表 CONNECT 訊息,Flags
代表訊息的旗標,OPCODE
代表操作碼,MQTT Len
代表訊息的長度,Payload
代表訊息的內容。
CONNACK 訊息結構
CONNACK 訊息的結構如下:
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
|C| Flags | OPCODE | MQTT Len | Payload |
其中,C
代表 CONNACK 訊息,Flags
代表訊息的旗標,OPCODE
代表操作碼,MQTT Len
代表訊息的長度,Payload
代表訊息的內容。
訂閱識別碼
訂閱識別碼(Subscription Identifier)是一個唯一的識別碼,用於識別訂閱者。當 client 訂閱一個主題時,會傳送一個 SUBSCRIBE 訊息給 broker,包含了訂閱者的識別碼。
SUBSCRIBE 訊息結構
SUBSCRIBE 訊息的結構如下:
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
|C| Flags | OPCODE | MQTT Len | Payload |
其中,C
代表 SUBSCRIBE 訊息,Flags
代表訊息的旗標,OPCODE
代表操作碼,MQTT Len
代表訊息的長度,Payload
代表訊息的內容。
共享訂閱
共享訂閱(Shared Subscription)是一種允許多個 client 共享同一個主題的訂閱。當 client 共享一個主題時,會傳送一個 SUBSCRIBE 訊息給 broker,包含了共享的識別碼。
共享訂閱訊息結構
共享訂閱訊息的結構如下:
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
|C| Flags | OPCODE | MQTT Len | Payload |
其中,C
代表共享訂閱訊息,Flags
代表訊息的旗標,OPCODE
代表操作碼,MQTT Len
代表訊息的長度,Payload
代表訊息的內容。
內容解密:
上述的 MQTT 通訊格式是根據 MQTT 協定標準的。瞭解這些格式可以幫助開發者更好地使用 MQTT 進行物聯網資料傳輸。
圖表翻譯:
下面是 MQTT 通訊格式的 Mermaid 圖表:
graph LR A[Client] -->|CONNECT|> B[Broker] B -->|CONNACK|> A A -->|SUBSCRIBE|> B B -->|SUBACK|> A A -->|PUBLISH|> B B -->|PUBACK|> A
這個圖表展示了 client 和 broker 之間的 MQTT 通訊流程。
MQTT 通訊協定連線訊息
MQTT 通訊協定是一種廣泛使用的物聯網(IoT)通訊協定,允許裝置之間進行輕量級的訊息交換。在 MQTT 通訊協定中,連線訊息(CONNECT)是用於建立與伺服器的連線。
從技術架構視角來看,MQTT 5 的連線流程與前一版本相比有著顯著的改進。本文深入探討了 CONNECT、CONNACK 和 AUTH 封包,以及 Will Delay Interval、Maximum Packet Size 等關鍵機制,揭示了 MQTT 5 如何提升連線效率和安全性。分析其核心欄位的功能,例如 CONNECT 封包中的 Clean Session 標誌和 Client ID,以及 CONNACK 封包中的 Session Present 和 Return Code,可以發現 MQTT 5 在狀態管理和錯誤處理方面更加精細。然而,引入新的特性也增加了實作的複雜度,開發者需要仔細評估其效益和成本。展望未來,隨著物聯網裝置種類和數量的不斷增長,MQTT 5 的彈性架構和安全機制將使其在物聯網通訊領域扮演更重要的角色。預計未來會有更多根據 MQTT 5 的應用和工具出現,進一步簡化開發流程並提升物聯網應用效能。玄貓認為,MQTT 5 的這些改進使其更能適應未來物聯網發展的需求,值得開發者深入研究和應用。