MQTT协议的连接和心跳相关内容介绍

  • 时间 :2021-06-04
  • 作者 :佰马科技
  • 浏览数 :619

本文介绍MQTT的连接(CONNECT)、心跳(PINGREQ/PINGRESP)、确认(CONNACK)、断开连接(DISCONNECT)四部分内容。


CONNECT

MQTT v3.1.1有关字符串部分采用的修改版的UTF-8编码,CONNECT可变头部中协议名称、消息体都是采用修改版的UTF-8编码。下面是一个较为完整的CONNECT消息结构:


mqtt connect消息结构.jpg


协议变化

在MQTT 3.1.1中:

1、CONNECT消息可变头部协议名称MQIsdp被改为MQTT。

2、所有字符串明确规定使用UTF-8编码,包括客户端标识符(Client Identifier)。

3、针对客户端标识符( client identifier)限制由原来的23个字节上限改为65535个字节。

4、CONNECT消息可变头部协议版本号,由0x03变成了0x04 QoS 0类型PUBLISH消息DUP标记必须被设置为0

5、MQTT Over WebSocket 被定义,互联网地址编码分配机构(Internet Assigned Numbers Authority)分配标识符为mqtt。虽在MQTT 3.1规范通篇没有提到WebSocket,但因其二进制属性可以很容易的在WebSocket通道传输。


术语变化

●  MQTT代理(MQTT Broker) -> MQTT服务器(MQTT Server)

●  消息ID(Message ID) -> 包ID(Packet ID)

●  消息类型(Message Type) -> 包类型(Packet Type)

●  主题路径(Topic Paths) -> 主题名称(Topic names

●  以前在固定头部,现在在包类型中

●  0字节保留信息需要清除


可变头部

协议名称和协议版本都是固定的。


连接标志(Connect Flags)

一个字节表示,除了第1位是保留未使用,其它7位都具有不同含义。业务上很重要,对消息总体流程影响很大,需要牢记。


Clean Session

0,表示如果订阅的客户机断线了,要保存为其要推送的消息(QoS为1和QoS为2),若其重新连接时,需将这些消息推送(若客户端长时间不连接,需要设置一个过期值)。

1,断线服务器即清理相关信息,重新连接上来之后,会再次订阅。


Will Flag

定义了客户端(没有主动发送DISCONNECT消息)出现网络异常导致连接中断的情况下,服务器需要做的一些措施。

  简而言之,就是客户端预先定义好,在自己异常断开的情况下,所留下的最后遗愿(Last Will),也称之为遗嘱(Testament)。 这个遗嘱就是一个由客户端预先定义好的主题和对应消息,附加在CONNECT的可变头部中,在客户端连接出现异常的情况下,由服务器主动发布此消息。

  只有在Will Flag位为1时,Will Qos和Will Retain才会被读取,此时消息体payload中要出现Will Topic和Will Message具体内容,否则,Will QoS和Will Retain值会被忽略掉。


Will Qos

两位表示,和PUBLISH消息固定头部的QoS level含义一样。这里先略过,到PUBLISH消息再回过头来看看,会更明白些。若标识了Will Flag值为1,那么Will QoS就会生效,否则会被忽略掉。


Will Retain

如果设置Will Flag,Will Retain标志就是有效的,否则它将被忽略。当客户端意外断开服务器发布其Will Message之后,服务器是否应该继续保存。这个属性和PUBLISH固定头部的RETAIN标志含义一样,这里先略过。


User name 和 password Flag

用于授权,两者要么为0要么为1,否则都是无效。都为0,表示客户端可自由连接/订阅,都为1,表示连接/订阅需要授权。


Payload/消息体

消息体定义的消息顺序(如上表所示),约定俗成,不得更改,否则将可能引起混乱。

  若Will Flag值为0,那么在payload中,Client Identifer后面就不会存在Will Topic和Will Message内容。

  若User Name和Password都为0,意味着Payload/消息体中,找不到User Name和password的值,就算有,也是无效。标志决定着是否读取与否。


心跳时间(Keep Alive timer)

以秒为单位,定义服务器端从客户端接收消息的最大时间间隔。一般应用服务会在业务层次检测客户端网络是否连接,不是TCP/IP协议层面的心跳机制(比如开启SOCKET的SO_KEEPALIVE选项)。 一般来讲,在一个心跳间隔内,客户端发送一个PINGREQ消息到服务器,服务器返回PINGRESP消息,完成一次心跳交互,继而等待下一轮。若客户端没有收到心跳反馈,会关闭掉TCP/IP端口连接,离线。 16位两个字节,可看做一个无符号的short类型值。最大值,2^16-1 = 65535秒 = 18小时。最小值可以为0,表示客户端不断开。一般设为几分钟,比如微信心跳周期为300秒。


Will Message编码

Will Message在CONNECT Payload/息体中,使用UTF-8编码。假设内容为“abcd”,大概如下:


mqtt connect will message.jpg

注:PUBLISH的Payload/消息体中以二进制编码保存


在某一时间点客户端异常关闭会触发服务器PUBLISH此消息。那么服务器会直接把byte3-byte6之间字符取出,保存为二进制,附加到PUBLISH消息体中,大概存储如下:


mqtt publish will message.jpg


连接异常中断通知机制

CONNECT消息一旦设置在可变头部设置了Will flag标记,那就启用了Last-Will-And-Testament特性,此特性很赞。

  一旦客户端出现异常中断,便会触发服务器发布Will Message消息到Will Topic主题上去,通知Will Topic订阅者,对方因异常退出。



CONNACK

收到CONNECT消息之后,服务器应该返回一个CONNACK消息作为响应:


若客户端绕过CONNECT消息直接发送其它类型消息,服务器应关闭此非法连接 若客户端发送CONNECT之后未收到CONNACT,需要关闭当前连接,然后重新连接


相同Client ID客户端已连接到服务器,先前客户端必须断开连接后,服务器才能完成新的客户端CONNECT连接 客户端发送无效非法CONNECT消息,服务器需要关闭。


  一个完整的CONNACK消息大致如下:


connack.jpg


  可变头部第一个字节为保留,无甚用处。第二个字节为连接握手返回码:


connack response code.jpg


  只有0-5目前被使用到,其他值有待日后使用。一般返回值为0x00,表示连接建立。非法的请求,需要返回相应的数值。


  从上面看出,一个CONNACK,四个字节表示。一个正常的CONNACK消息实际内容可能如下:


0x20 0x02 0x00 0x00 

  

若是在私有协议中,两个字节就足够了。很多时候,客户端和服务器端在没有消息传递时,会一直保持着连接。虽然不能依靠TCP心跳机制(比如SO_KEEPALIVE选项),业务层面定义心跳机制,会让连接状态检测、控制更为直观。



PINGREQ

由客户端发送到服务器端,证明自己还在一直连接着呢。两个字节,固定值。


PINGREQ.jpg


  客户端会在一个心跳周期内发送一条PINGREQ消息到服务器端。心跳频率在CONNECT可变头部“Keep Alive Timer”中定义时间,单位为秒,无符号16位short表示。



PINGRESP

服务器收到PINGREQ请求之后,会立即响应一个两个字节固定格式的PINGRESP消息。


PINGRESP.jpg


  服务器一般若在1.5倍的心跳周期内接收不到客户端发送的PINGREQ,可考虑关闭客户端的连接描述符。此时的关闭连接的行为和接收到客户端发送DISCONNECT消息的处理行为一致,但对客户端的订阅不会产生影响(不会清除客户端订阅数据),这个需要牢记。


  若客户端发送PINGREQ之后的一个心跳周期内接收不到PINGRESP消息,可考虑关闭TCP/IP套接字连接。



DISCONNECT

客户端主动发送到服务器端,表明即将关闭TCP/IP连接。此时要求服务器要完整、干净的进行断开处理,不能仅仅类似于关闭连接描述符类似草草处理之。 需要两个字节,值固定。


DISCONNECT.jpg


  服务器要根据先前此客户端在发送CONNECT消息可变头部Connect flag中的“Clean session flag”所设置值。复习一下:


值为0,服务器必须在客户端断开之后继续存储/保持客户端的订阅状态。这些状态包括:

●  存储订阅的消息QoS1和QoS2消息

●  正在发送消息期间连接丢失导致发送失败的消息。

●  以便当客户端重新连接时以上消息可以被重新传递。

●  值为1,服务器需要立刻清理连接状态数据。


注意:服务器在接收到客户端发送的DISCONNECT消息之后,需要主动关闭TCP/IP连接。


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