MQTT-SN协议乱翻之简要介绍

前言

这一段时间在翻看MQTT-SN的协议，对针对不依赖于TCP传输的MQTT协议十分感兴趣，总是再想着这货到底是怎么定义的。一系列文章皆有MQTT-SN 1.2协议所拼装组成，原文档地址： MQTT-SN_spec_v1.2.pdf

MQTT-SN文档分为7个部分，我直接按照从前到后的顺序，直接组装成四个小篇。嗯，若放在一篇文章中，文字太长，造成排版难度。

非直译，完全按照自己理解整理而成，请知晓。

版本变迁历史

1. 2007-11-29 1.0版本
2. 2008-6-5 1.1版本，增加休眠设备支持
3. 2011-5-20 1.2版本

• 增加消息长度255字节支持
• 增加转发封装支持
• 增加返回代码"0x03 Rejected, not supported"
• ReturnCode 增加到WILLTOPICRESP和WILLMSGRESP消息中

MQTT-SN名称由来

原名是MQTT-S，但会引起人们的误解，因此更名成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.

针对适配传感装置（缩写为SA）的特定版MQTT协议，一般运行在嵌入式电池驱动的电子元件中，传输通过基于IEEE 802.15.4规范无线低速网络构成的无线传感网络（WSN），同样具有企业级别特性具有以数据为核心的（data-centric）订阅/发布特性。

总之，针对低功耗、电池驱动、处理存储受限的设备、不支持TCP/IP协议栈网络的电子器件而定制，比如常见的ZigBee（或XBee），对所依赖的底层传输网络不可知，但只要网络支持双向数据传输和网关，都是可以支持较为上层的MQTT-SN协议传输。比如简单数据报服务，只要支持一个源端点发送数据到一个特定目的地端点，这对支持MQTT-SN协议，就足够了。广播数据报传输服务也是必须的用于网关和终端的自动发现流程。为了降低广播风暴，MQTT-SN定义了广播路径深度（广播范围或广播半径）。

一些名词和术语

• topic id，主题标识符，两个字节16位表示的自然数（java语言short类型，0-65535范围），对应于主题topic name
• 网关/服务器（gateway/server），在MQTT-SN中统一称之为网关，主要处理和MQTT-SN客户端的交互，缩写为网关
• MQTT-SN终端和客户端（client），统一称之为客户端，其实也是嵌入式传感设备，或电子元件，资源受限，在无线区域个人网中运行
• IEEE 802.15.4，完整栈的整个数据上限为128个字节，一般选择UDP（相比20个字节的TCP协议，UDP报文头部仅仅需要8个字节）协议传输数据
• 低速网络/当前网络，指的是LR-WPAN（low-rate wireless personal area network,），低速无线个人区域网络

MQTT-SN VS MQTT

尽管MQTT-SN被设计成尽可能接近于MQTT，但那些低功耗、电池驱动、资源受限的设备所在网络场景为低速带宽、高连接失败、物理层数据包上线为128字节。文档提出了以下不同点：

1. CONNECT消息被拆分成三个消息（CONNECT，WILLTIPIC，WILLMSG），后两者用于客户端传递遗嘱主题和遗嘱消息等
2. 在PUBLISH消息中主题（topic name）被替换成两个字节长度自然数（topic id），这个需要客户端通过注册流程进行获取对应的topic id
3. 预定义（提前定义）topic id和topic name，省去中间注册流程，客户端和网关要求提前在其固件中指定
4. 协议引入的自动发现机制可帮助客户端发现潜在的网关。若存在多个网关，彼此可协调是为主从互备或者负载均衡
5. "clean session"即可作用于订阅持久化，也被扩展作用于遗嘱特性（遗嘱主题和遗嘱消息）
6. 针对休眠设备增加离线保活机制支持，当有消息时代理需要缓存，客户端被唤醒时再发送

MQTT-SN架构示意

在MQTT-SN架构图中，存在三种组件：

1. MQTT-SN 客户端
2. MQTT-SN 网关，可单独存在，也可以被集成到MQTT服务器中。需要承担MQTT-SN和MQTT协议之间的转换工作
3. MQTT-SN 转发器，负责转发当前客户端数据到不可直接访问的网关上去，针对客户端而言网关不可直接访问时，转发器作用就凸显。转发器封装MQTT-SN消息转发给网关，解封来自网关的消息发送给客户端。网关不能够篡改原始数据。

MQTT-SN传输网关

MQTT-SN网关传输方式，下面的图片一目了然。 

1. 透明网关，会为每一个客户端都建立一个TCP连接到MQTT服务器的通道，这样会较为耗费网关网络资源，但模型简单
2. 聚合网关，只建立一条TCP连接通道到MQTT服务器上，所有的客户端共享一个通道，很经济的说。

网关需要抉择哪些消息需要和远程的MQTT Server进行交互，比如只选择客户端发送的PUBLISH、SUBSCRIBLE消息等。

小结

上面简单介绍了MQTT-SN，下面将会介绍MQTT-SN消息头部和格式。