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MQTT-基於發布/訂閱模式的輕量級通訊協議

MQTT-基於發布/訂閱模式的輕量級通訊協議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的、基於發布/訂閱模式的通訊協議，常用於物聯網設備之間的通訊。

MQTT介紹

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的、基於發布/訂閱模式的通訊協議，常用於物聯網設備之間的通訊。它具有以下特點：

  • 簡單：MQTT協定設計簡潔，易於實現和部署。
  • 輕量級：協定頭部資訊小，適合在頻寬有限的網路環境中使用。
  • 發布/訂閱模式：支援發布者將訊息發佈到特定的主題，訂閱者可以選擇性地訂閱感興趣的主題，從而實現訊息的分發和接收。
  • 可靠性：支援三種服務品質等級（QoS），包括最多一次、至少一次和恰好一次的訊息傳遞保證。

MQTT協定的訊息格式如下：

[

固定頭部可變頭部有效載荷固定長度可變長度長度可變

]

其中，固定頭部包含控制封包類型、標誌位元和剩餘長度欄位；可變頭部包含協定名稱、協定版本、連接標誌位元等資訊；有效載荷包含實際的訊息內容。

MQTT協定適合在資源受限的設備和網路環境中進行可靠的通訊。

應用場景

  1. 物聯網設備通訊：MQTT可用於連接和通訊各種物聯網設備，包括感測器、執行器、嵌入式設備等，實現設備之間的資料交換和控制。例如，感測器節點可以透過MQTT協定將資料傳送到雲端伺服器，或者設備之間可以透過MQTT進行即時通訊。
  2. 遠端監控與控制：MQTT可用於遠端監控和控制系統，例如遠端監控工廠設備、智慧家庭設備、農業自動化系統等。
  3. 即時數據傳輸：MQTT支援發布/訂閱模式，可用於即時傳輸數據，例如氣象數據、交通資訊、股票行情等。
  4. 行動應用程式通知：MQTT可用於向行動應用程式發送即時通知，例如社群媒體更新、新聞提醒、即時訊息等。
  5. 資源受限的環境：由於MQTT協定的輕量級特性，它適合在資源受限的環境中使用，例如嵌入式系統、感測器網路和低頻寬網路環境。

MQTT適用於需要輕量級、可靠、即時通訊的各種物聯網和即時資料傳輸場景。

協議說明

MQTT控制封包格式

  1. 「固定報頭（Fixed Header）」：包含封包類型和標誌位。
  2. 「可變標頭（Variable Header）」：根據封包類型不同而不同，包含一些額外的資訊。
  3. 「有效載荷（Payload）」：包含實際的數據內容。

MQTT資料包類型：

  1. “CONNECT”：客戶端連接到伺服器時發送的資料包類型。
  2. “CONNACK”：伺服器對客戶端連線請求的回應資料包類型。
  3. “PUBLISH”：用於發布訊息的資料包類型。
  4. “PUBACK”：對PUBLISH訊息的確認資料包類型。
  5. 「PUBREC、PUBREL、PUBCOMP」：用於發布訊息的QoS等級2的封包類型。
  6. “SUBSCRIBE”：訂閱主題的資料包類型。
  7. “SUBACK”：對訂閱請求的確認資料包類型。
  8. “UNSUBSCRIBE”：取消訂閱主題的資料包類型。
  9. “UNSUBACK”：對取消訂閱請求的確認資料包類型。
  10. “PINGREQ、PINGRESP”：用於保持連接的資料包類型。
  11. “DISCONNECT”：客戶端斷開連線時發送的資料包類型。

每種資料包類型都有特定的格式和用途，用於在MQTT協定中進行通訊和訊息傳遞。

MQTT報文標誌位:

  1. 「保留位元（Retain）」：指示伺服器是否應保留訊息。
  2. 「QoS等級（QoS Level）」：指定訊息傳遞的品質。
  3. 「主題訂閱識別（Topic Subscription Identifier）」：指示是否使用主題訂閱識別碼。

一個PUBLISH報文的格式如下：

| 固定报头 | 可变报头 | 有效载荷 |
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其中，固定報頭包含封包類型和標誌位，可變標頭包含主題名和封包標識符，有效載荷包含實際的訊息內容。

MQTT使用

導入依賴：

repositories {
    maven {
        url "https://repo.eclipse.org/content/repositories/paho-snapshots/"
    }
}


dependencies {
    compile 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.client.mqttv3:1.1.0'
    compile 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.android.service:1.1.1'
}
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建立客戶端並發布訊息（服務端需搭建MQTT服務）：

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;

public class MqttJavaExample {
    public static void main(String[] args) {
        String broker = "tcp://iot.eclipse.org:1883";
        String clientId = "JavaExample";
        try {
            MqttClient client = new MqttClient(broker, clientId);
            MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
            connOpts.setCleanSession(true);
            System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
            client.connect(connOpts);
            System.out.println("Connected");
            String topic = "iot/topic";
            String content = "Hello, MQTT!";
            int qos = 2;
            MqttMessage message = new MqttMessage(content.getBytes());
            message.setQos(qos);
            System.out.println("Publishing message: " + content);
            client.publish(topic, message);
            System.out.println("Message published");
            client.disconnect();
            System.out.println("Disconnected");
            System.exit(0);
        } catch (MqttException me) {
            System.out.println("reason " + me.getReasonCode());
            System.out.println("msg " + me.getMessage());
            System.out.println("loc " + me.getLocalizedMessage());
            System.out.println("cause " + me.getCause());
            System.out.println("excep " + me);
            me.printStackTrace();
        }
    }
}
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這是一個簡單的使用Eclipse Paho MQTT Java 用戶端程式庫的範例。

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.*;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;

public class MqttClientExample {

    public static void main(String[] args) {
        String broker = "tcp://iot.eclipse.org:1883";
        String clientId = "JavaSample";
        MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();

        try {
            MqttClient client = new MqttClient(broker, clientId, persistence);
            MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
            connOpts.setCleanSession(true);

            System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
            client.connect(connOpts);
            System.out.println("Connected");

            String topic = "iot/topic";
            int qos = 2;
            client.subscribe(topic, qos);
            System.out.println("Subscribed to topic: " + topic);

            String content = "Hello, MQTT!";
            MqttMessage message = new MqttMessage(content.getBytes());
            message.setQos(qos);
            client.publish(topic, message);
            System.out.println("Message published");

            client.disconnect();
            System.out.println("Disconnected");
            System.exit(0);
        } catch (MqttException me) {
            System.out.println("reason " + me.getReasonCode());
            System.out.println("msg " + me.getMessage());
            System.out.println("loc " + me.getLocalizedMessage());
            System.out.println("cause " + me.getCause());
            System.out.println("excep " + me);
            me.printStackTrace();
        }
    }
}
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這是一個簡單的使用Eclipse Paho MQTT Java 用戶端的範例。在這個範例中，我們建立了一個MQTT 用戶端並連接到指定的MQTT 代理，然後訂閱了一個主題並發布了一條訊息。

MQTT優缺點

優點

  1. 「輕量級協議」：MQTT是一種輕量級的發布/訂閱訊息傳輸協議，適用於受限的網路環境和設備。
  2. 「低頻寬消耗」：由於其精簡的協定頭和二進位訊息格式，MQTT在傳輸過程中消耗的頻寬較低。
  3. 「可靠性」：MQTT支援三種層級的服務品質（QoS），可以根據需求選擇適當的層級來確保訊息的可靠傳輸。
  4. 「靈活性」：MQTT支援多種場景下的訊息傳輸，包括裝置與雲端的通訊、行動應用通知推播等。
  5. 「易於整合」：MQTT協定已經得到廣泛支持，有許多開源的客戶端和伺服器實現，易於整合到各種應用中。

缺點

  1. 「安全性」：MQTT本身並未提供加密功能，需要透過TLS/SSL等方式來確保通訊的安全性。
  2. 「複雜性」：在某些特定場景下，如需要實現高階的訊息佇列功能或大規模部署時，可能需要複雜的配置和管理。
  3. 「不適用於大數據傳輸」：由於其輕量級的特性，MQTT並不適合用於大規模資料的傳輸，適合傳輸小型的控制資訊和感測器資料。
  4. 「需要穩定的網路連線」：由於其基於TCP的特性，MQTT需要穩定的網路連線來確保訊息的可靠傳輸，不適合在網路不穩定的環境中使用。