python实现mqtt协议_自己动手实现MQTT协议

写在前面

前段时间弄IoT相关的东西，系统学习了一下 MQTT 协议，在此分享出来。

本文先是对 MQTT 协议做了简单的介绍；接着是对 MQTT协议的内容做了较为全面的解读；最后使用 Python 语言去实现一个简单的 MQTT 客户端和服务器。

简介

MQTT 全称是 Message Queue Telemetry Transport，翻译成中文意思是“遥测传输协议”。它最先是由IBM提出，是一种基于 TCP 协议，具有简单、轻量等优点，特别适合于受限环境(带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定)的消息分发。MQTT 协议有 3.x, 5.x 等多个版本，目前最常用的版本是 v3.1.1 ，本文也是对此版本的协议进行的解读。MQTT 协议已纳入ISO标准 (ISO/IEC PRF 20922)，现今主流的 IoT 平台都支持该协议。

快速开始

MQTT 是一种发布-订阅协议，这意味着：

客户端(Client)可以向服务端(Broker) 订阅(Subscribe)自己感兴趣的主题(Topic)；

客户端还可以向服务端发布(Publish)关于某个主题的信息(主题不需要提前创建，发布消息时指定即可)；

服务端在收到客户端发布的消息后，会将该消息转发给订阅了该主题的其他客户端。

我们可以在自己的电脑上运行一个 MQTT 的服务端，和多个 MQTT 的客户端来体验这一过程。

MQTT 服务端有很多可以选择。这里我们使用 Mosquitto，按照其官方文档的说明安装即可，这里不多做介绍。

Mac 用户可以用以下命令安装并启动 Mosquitto：

brew install mosquitto

brew services start mosquitto

Mosquitto 提供了命令行工具 mosquitto_sub 和 mosquitto_pub ,它们可用来向服务端订阅主题和发布消息。

在一个命令行窗口中，执行以下命令去订阅名为 “foo” 的主题：

mosquitto_sub -h 127.0.0.1 -p 1883 -t foo -q 2

在另一个命令行窗口中，执行以下命令发布消息 “Hello, MQTT” 到 “foo” 主题：

mosquitto_pub -h 127.0.0.1 -p 1883 -t foo -q 2 -m 'Hello, MQTT'

最终我们将看到，在第一个命令行窗口中，打印出了消息 “Hello, MQTT”。这意味着，第一个客户端在主题 “foo” 上，收到了第二个客户端发布的消息。

协议详解

数据包整体格式

从整体上看，数据包分为3个部分：一个是固定头部，它是一定存在的；另一个是可变头部，它不一定存在；剩下一个是载荷，它也不一定存在。数据采用大端方式存储。

+----------------------------+

| |

| 固定头部 (必需 ) |

| |

+----------------------------+

| |

| 可变头部 (非必需) |

| |

+----------------------------+

| |

| 载荷 (非必需 ) |

| |

+----------------------------+

固定头部(Fixed header)

固定头部格式如下：

+---------------------------------------------------------+

| bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |

+---------------------------------------------------------+

| byte1 | Packet type | Flags |

+---------------------------------------------------------+

| byte2...| Remaining Length |

+---------------------------------------------------------+

包类型(Packet type)

Name

Value

Direction of flow

Description

Reserved

Forbidden

Reserved

CONNECT

Client to Server

Client request to connect to Server

CONNACK

Server to Client

Connect acknowledgment

PUBLISH