MQTT協(xié)議之連接和心跳介紹

序

本篇會把連接(CONNECT)、心跳(PINGREQ/PINGRESP)、確認(rèn)(CONNACK)、斷開連接(DISCONNECT)和在一起進(jìn)行介紹。

在閱讀本文之前推薦大家先讀一下我的前兩篇文章：MQTT協(xié)議及應(yīng)用場景　MQTT協(xié)議之頭部信息介紹

CONNECT

MQTT v3.1.1有關(guān)字符串部分采用的修改版的UTF-8編碼，CONNECT可變頭部中協(xié)議名稱、消息體都是采用修改版的UTF-8編碼。前面基本上可變頭部內(nèi)容不多，下面是一個較為完整的CONNECT消息結(jié)構(gòu)：

mqtt connect消息結(jié)構(gòu)

協(xié)議變化
MQTT 3.1.1中CONNECT消息可變頭部協(xié)議名稱MQIsdp被改為MQTT。
MQTT 3.1.1中所有字符串明確規(guī)定使用UTF-8編碼，包括客戶端標(biāo)識符(Client Identifier)。
MQTT 3.1.1中針對客戶端標(biāo)識符（ client identifier）限制由原來的23個字節(jié)上限改為65535個字節(jié)。
MQTT 3.1.1中CONNECT消息可變頭部協(xié)議版本號，由0x03變成了0x04 QoS 0類型PUBLISH消息DUP標(biāo)記必須被設(shè)置為0。
MQTT 3.1.1中MQTT Over WebSocket 被定義，互聯(lián)網(wǎng)地址編碼分配機(jī)構(gòu)（Internet Assigned Numbers Authority）分配標(biāo)識符為mqtt。雖在MQTT 3.1規(guī)范通篇沒有提到WebSocket，但因其二進(jìn)制屬性可以很容易的在WebSocket通道傳輸。

術(shù)語變化

  • MQTT代理 -> MQTT服務(wù)器（MQTT Broker is now MQTT Server）
  • 消息ID -> 包ID（Message ID is now Packet ID）
  • 消息類型 -> 包類型（Message Type is now Packet Type）
  • 主題路徑 -> 主題名稱（Subscribe and Unsubscribe take Topic Paths, rather than Topic names）
  • 以前在固定頭部，現(xiàn)在在包類型中( Flags in the fixed header are now specific to the packet type
  • 0字節(jié)保留信息需要清除 （A zero byte retained message MUST NOT be stored as a retained message on the Server ）

可變頭部

協(xié)議名稱和協(xié)議版本都是固定的。

連接標(biāo)志(Connect Flags)

一個字節(jié)表示，除了第1位是保留未使用，其它7位都具有不同含義。業(yè)務(wù)上很重要，對消息總體流程影響很大，需要牢記。

Clean Session

0，表示如果訂閱的客戶機(jī)斷線了，要保存為其要推送的消息（QoS為1和QoS為2），若其重新連接時，需將這些消息推送（若客戶端長時間不連接，需要設(shè)置一個過期值）。 1，斷線服務(wù)器即清理相關(guān)信息，重新連接上來之后，會再次訂閱。

Will Flag

定義了客戶端（沒有主動發(fā)送DISCONNECT消息）出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常導(dǎo)致連接中斷的情況下，服務(wù)器需要做的一些措施。
　　簡而言之，就是客戶端預(yù)先定義好，在自己異常斷開的情況下，所留下的最后遺愿（Last Will），也稱之為遺囑（Testament）。 這個遺囑就是一個由客戶端預(yù)先定義好的主題和對應(yīng)消息，附加在CONNECT的可變頭部中，在客戶端連接出現(xiàn)異常的情況下，由服務(wù)器主動發(fā)布此消息。
　　只有在Will Flag位為1時，Will Qos和Will Retain才會被讀取，此時消息體payload中要出現(xiàn)Will Topic和Will Message具體內(nèi)容，否則，Will QoS和Will Retain值會被忽略掉。

Will Qos

兩位表示，和PUBLISH消息固定頭部的QoS level含義一樣。這里先略過，到PUBLISH消息再回過頭來看看，會更明白些。若標(biāo)識了Will Flag值為1，那么Will QoS就會生效，否則會被忽略掉。

Will Retain

如果設(shè)置Will Flag，Will Retain標(biāo)志就是有效的，否則它將被忽略。當(dāng)客戶端意外斷開服務(wù)器發(fā)布其Will Message之后，服務(wù)器是否應(yīng)該繼續(xù)保存。這個屬性和PUBLISH固定頭部的RETAIN標(biāo)志含義一樣，這里先略過。

User name 和 password Flag

用于授權(quán)，兩者要么為0要么為1，否則都是無效。都為0，表示客戶端可自由連接/訂閱，都為1，表示連接/訂閱需要授權(quán)。

Payload/消息體

消息體定義的消息順序（如上表所示），約定俗成，不得更改，否則將可能引起混亂。
　　若Will Flag值為0，那么在payload中，Client Identifer后面就不會存在Will Topic和Will Message內(nèi)容。
　　若User Name和Password都為0，意味著Payload/消息體中，找不到User Name和password的值，就算有，也是無效。標(biāo)志決定著是否讀取與否。

心跳時間(Keep Alive timer)

以秒為單位，定義服務(wù)器端從客戶端接收消息的最大時間間隔。一般應(yīng)用服務(wù)會在業(yè)務(wù)層次檢測客戶端網(wǎng)絡(luò)是否連接，不是TCP/IP協(xié)議層面的心跳機(jī)制(比如開啟SOCKET的SO_KEEPALIVE選項(xiàng))。 一般來講，在一個心跳間隔內(nèi)，客戶端發(fā)送一個PINGREQ消息到服務(wù)器，服務(wù)器返回PINGRESP消息，完成一次心跳交互，繼而等待下一輪。若客戶端沒有收到心跳反饋，會關(guān)閉掉TCP/IP端口連接，離線。 16位兩個字節(jié)，可看做一個無符號的short類型值。最大值，2^16-1 = 65535秒 = 18小時。最小值可以為0，表示客戶端不斷開。一般設(shè)為幾分鐘，比如微信心跳周期為300秒。

Will Message編碼

Will Message在CONNECT Payload/息體中，使用UTF-8編碼。假設(shè)內(nèi)容為“abcd”，大概如下：


mqtt connect will message

注：PUBLISH的Payload/消息體中以二進(jìn)制編碼保存

在某一時間點(diǎn)客戶端異常關(guān)閉會觸發(fā)服務(wù)器PUBLISH此消息。那么服務(wù)器會直接把byte3-byte6之間字符取出，保存為二進(jìn)制，附加到PUBLISH消息體中，大概存儲如下：


mqtt publish will message

連接異常中斷通知機(jī)制

CONNECT消息一旦設(shè)置在可變頭部設(shè)置了Will flag標(biāo)記，那就啟用了Last-Will-And-Testament特性，此特性很贊。
　　一旦客戶端出現(xiàn)異常中斷，便會觸發(fā)服務(wù)器發(fā)布Will Message消息到Will Topic主題上去，通知Will Topic訂閱者，對方因異常退出。

CONNACK

收到CONNECT消息之后，服務(wù)器應(yīng)該返回一個CONNACK消息作為響應(yīng)：

  • 若客戶端繞過CONNECT消息直接發(fā)送其它類型消息，服務(wù)器應(yīng)關(guān)閉此非法連接 若客戶端發(fā)送CONNECT之后未收到CONNACT，需要關(guān)閉當(dāng)前連接，然后重新連接
  • 相同Client ID客戶端已連接到服務(wù)器，先前客戶端必須斷開連接后，服務(wù)器才能完成新的客戶端CONNECT連接 客戶端發(fā)送無效非法CONNECT消息，服務(wù)器需要關(guān)閉。
    　　一個完整的CONNACK消息大致如下：
    connack

    　　可變頭部第一個字節(jié)為保留，無甚用處。第二個字節(jié)為連接握手返回碼：
    connack response code

    　　只有0-5目前被使用到，其他值有待日后使用。一般返回值為0x00，表示連接建立。非法的請求，需要返回相應(yīng)的數(shù)值。
    　　從上面看出，一個CONNACK，四個字節(jié)表示。一個正常的CONNACK消息實(shí)際內(nèi)容可能如下：
    0x20 0x02 0x00 0x00　
    　　若是在私有協(xié)議中，兩個字節(jié)就足夠了。很多時候，客戶端和服務(wù)器端在沒有消息傳遞時，會一直保持著連接。雖然不能依靠TCP心跳機(jī)制（比如SO_KEEPALIVE選項(xiàng)），業(yè)務(wù)層面定義心跳機(jī)制，會讓連接狀態(tài)檢測、控制更為直觀。

PINGREQ

由客戶端發(fā)送到服務(wù)器端，證明自己還在一直連接著呢。兩個字節(jié)，固定值。


PINGREQ

　　客戶端會在一個心跳周期內(nèi)發(fā)送一條PINGREQ消息到服務(wù)器端。心跳頻率在CONNECT可變頭部“Keep Alive Timer”中定義時間，單位為秒，無符號16位short表示。

PINGRESP

服務(wù)器收到PINGREQ請求之后，會立即響應(yīng)一個兩個字節(jié)固定格式的PINGRESP消息。

PINGRESP

　　服務(wù)器一般若在1.5倍的心跳周期內(nèi)接收不到客戶端發(fā)送的PINGREQ，可考慮關(guān)閉客戶端的連接描述符。此時的關(guān)閉連接的行為和接收到客戶端發(fā)送DISCONNECT消息的處理行為一致，但對客戶端的訂閱不會產(chǎn)生影響（不會清除客戶端訂閱數(shù)據(jù)），這個需要牢記。
　　若客戶端發(fā)送PINGREQ之后的一個心跳周期內(nèi)接收不到PINGRESP消息，可考慮關(guān)閉TCP/IP套接字連接。

DISCONNECT

客戶端主動發(fā)送到服務(wù)器端，表明即將關(guān)閉TCP/IP連接。此時要求服務(wù)器要完整、干凈的進(jìn)行斷開處理，不能僅僅類似于關(guān)閉連接描述符類似草草處理之。 需要兩個字節(jié)，值固定。


DISCONNECT

　　服務(wù)器要根據(jù)先前此客戶端在發(fā)送CONNECT消息可變頭部Connect flag中的“Clean session flag”所設(shè)置值。
復(fù)習(xí)一下：

  1. 值為0，服務(wù)器必須在客戶端斷開之后繼續(xù)存儲/保持客戶端的訂閱狀態(tài)。這些狀態(tài)包括：
  • 存儲訂閱的消息QoS1和QoS2消息
  • 正在發(fā)送消息期間連接丟失導(dǎo)致發(fā)送失敗的消息。
  • 以便當(dāng)客戶端重新連接時以上消息可以被重新傳遞。
  • 值為1，服務(wù)器需要立刻清理連接狀態(tài)數(shù)據(jù)。

注意：服務(wù)器在接收到客戶端發(fā)送的DISCONNECT消息之后，需要主動關(guān)閉TCP/IP連接。

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