MQTT-SN協議亂翻之簡要介紹

前言

這一段時間在翻看MQTT-SN的協議，對針對不依賴於TCP傳輸的MQTT協議十分感興趣，老是再想着這貨究竟是怎麼定義的。一系列文章皆有MQTT-SN 1.2協議所拼裝組成，原文檔地址： MQTT-SN_spec_v1.2.pdf

MQTT-SN文檔分爲7個部分，我直接按照從前到後的順序，直接組裝成四個小篇。嗯，若放在一篇文章中，文字太長，形成排版難度。

非直譯，徹底按照本身理解整理而成，請知曉。

版本變遷歷史

1. 2007-11-29 1.0版本
2. 2008-6-5 1.1版本，增長休眠設備支持
3. 2011-5-20 1.2版本

• 增長消息長度255字節支持
• 增長轉發封裝支持
• 增長返回代碼"0x03 Rejected, not supported"
• ReturnCode 增長到WILLTOPICRESP和WILLMSGRESP消息中

MQTT-SN名稱由來

原名是MQTT-S，但會引發人們的誤解，所以改名成MQTT-SN：

As part of the job of applying the same or similar license terms to the MQTT-S specification as those on the MQTT specification, we are proposing a small name change. The new name would be MQTT-SN, standing for exactly the same long name, MQTT for Sensor Networks. Some people had assumed that the S in MQTT-S stood for secure, so we hope this change will avoid that confusion. -- Ian Craggs

MQTT-SN存在目的

MQTT for Sensor Networks is aimed at embedded devices on non-TCP/IP networks, such as Zigbee. MQTT-SN is a publish/subscribe messaging protocol for wireless sensor networks (WSN), with the aim of extending the MQTT protocol beyond the reach of TCP/IP infrastructure for Sensor and Actuator solutions.

針對適配傳感裝置（縮寫爲SA）的特定版MQTT協議，通常運行在嵌入式電池驅動的電子元件中，傳輸經過基於IEEE 802.15.4規範無線低速網絡構成的無線傳感網絡（WSN），一樣具備企業級別特性具備以數據爲核心的（data-centric）訂閱/發佈特性。

總之，針對低功耗、電池驅動、處理存儲受限的設備、不支持TCP/IP協議棧網絡的電子器件而定製，好比常見的ZigBee（或XBee），對所依賴的底層傳輸網絡不可知，但只要網絡支持雙向數據傳輸和網關，都是能夠支持較爲上層的MQTT-SN協議傳輸。好比簡單數據報服務，只要支持一個源端點發送數據到一個特定目的地端點，這對支持MQTT-SN協議，就足夠了。廣播數據報傳輸服務也是必須的用於網關和終端的自動發現流程。爲了下降廣播風暴，MQTT-SN定義了廣播路徑深度（廣播範圍或廣播半徑）。

一些名詞和術語

• topic id，主題標識符，兩個字節16位表示的天然數（java語言short類型，0-65535範圍），對應於主題topic name
• 網關/服務器（gateway/server），在MQTT-SN中統一稱之爲網關，主要處理和MQTT-SN客戶端的交互，縮寫爲網關
• MQTT-SN終端和客戶端（client），統一稱之爲客戶端，其實也是嵌入式傳感設備，或電子元件，資源受限，在無線區域我的網中運行
• IEEE 802.15.4，完整棧的整個數據上限爲128個字節，通常選擇UDP（相比20個字節的TCP協議，UDP報文頭部僅僅須要8個字節）協議傳輸數據
• 低速網絡/當前網絡，指的是LR-WPAN（low-rate wireless personal area network,），低速無線我的區域網絡

MQTT-SN VS MQTT

儘管MQTT-SN被設計成儘量接近於MQTT，但那些低功耗、電池驅動、資源受限的設備所在網絡場景爲低速帶寬、高鏈接失敗、物理層數據包上線爲128字節。文檔提出瞭如下不一樣點：

1. CONNECT消息被拆分紅三個消息（CONNECT，WILLTIPIC，WILLMSG），後二者用於客戶端傳遞遺囑主題和遺囑消息等
2. 在PUBLISH消息中主題（topic name）被替換成兩個字節長度天然數（topic id），這個須要客戶端經過註冊流程進行獲取對應的topic id
3. 預約義（提早定義）topic id和topic name，省去中間註冊流程，客戶端和網關要求提早在其固件中指定
4. 協議引入的自動發現機制可幫助客戶端發現潛在的網關。若存在多個網關，彼此可協調是爲主從互備或者負載均衡
5. "clean session"便可做用於訂閱持久化，也被擴展做用於遺囑特性（遺囑主題和遺囑消息）
6. 針對休眠設備增長離線保活機制支持，當有消息時代理須要緩存，客戶端被喚醒時再發送

MQTT-SN架構示意

在MQTT-SN架構圖中，存在三種組件：

1. MQTT-SN 客戶端
2. MQTT-SN 網關，可單獨存在，也能夠被集成到MQTT服務器中。須要承擔MQTT-SN和MQTT協議之間的轉換工做
3. MQTT-SN 轉發器，負責轉發當前客戶端數據到不可直接訪問的網關上去，針對客戶端而言網關不可直接訪問時，轉發器做用就凸顯。轉發器封裝MQTT-SN消息轉發給網關，解封來自網關的消息發送給客戶端。網關不可以篡改原始數據。

MQTT-SN傳輸網關

MQTT-SN網關傳輸方式，下面的圖片一目瞭然。 

1. 透明網關，會爲每個客戶端都創建一個TCP鏈接到MQTT服務器的通道，這樣會較爲耗費網關網絡資源，但模型簡單
2. 聚合網關，只創建一條TCP鏈接通道到MQTT服務器上，全部的客戶端共享一個通道，很經濟的說。

網關須要抉擇哪些消息須要和遠程的MQTT Server進行交互，好比只選擇客戶端發送的PUBLISH、SUBSCRIBLE消息等。

小結

上面簡單介紹了MQTT-SN，下面將會介紹MQTT-SN消息頭部和格式。