Một liên kết truyền thông bằng giao thức MQTT bắt đầu với client gửi một thông điệp CONNECT đến một broker. Broker sẽ luôn trả lời một gói CONNECT bằng một gói CONNACK kèm mã trạng thái. Một khi kết nối được thiết lập, nó sẽ duy trì trạng thái mở. Dưới đây là các thông điệp MQTT và định dạng cấu trúc của nó:
- CONNECT (client gửi cho server): Client sẽ gửi gói tin Connect đến Server để yêu cầu kết nối có cấu trúc như Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Cấu trúc gói tin Connect do client gửi
Trường Yêu cầu Mô tả
clientID Bắt buộc Xác định client cho server. Mỗi client có một ID, chiều dài từ 1-23 byte UTF-8
cleanSession Tùy chọn
0: server phải quay lại các liên kết với client. Client và server phải lưu lại trạng thái phiên sau khi ngắt kết nối.
1: Client và server phải hủy các trạng thái của phiên liên kết trước và bắt đầu một phiên mới.
username Tùy chọn Tên để server xác thực client.
Password Tùy chọn Mật khẩu độ dài từ 0-65536 byte kèm 2 byte cố định ở đầu.
lastWillTopic Tùy chọn Chủ đề sẽ đẩy thông điệp khi mất kết nối
lastWillQoS Tùy chọn 2 bit cho biết mức QoS khi xuất bản thông điệp
lastWillMessage Tùy chọn Xác định loại tải trọng thông điệp gói Will
lastWillRetain Tùy chọn Cho biết gói Will có được duy trì trên broker sau khi đã được xuất bản
keepAlive Tùy chọn
Client sẽ phải gửi thông điệp hoặc gói PINGREQ trước khi bộ định thời keep-alive hết hạn. Server sẽ đóng kết nối sau 1.5 thời gian thiết lập của keep-alive. Giá trị 0 sẽ vô hiệu hóa cơ chế này (không sử dụng).
- Gói trả lời yêu cầu CONNECT (server gửi cho client): Không phải broker sẽ chấp nhận tất cả các yêu cầu kết nối. Broker sẽ phản hồi các yêu cầu kết nối có thể, gói tin trả lời của server có cấu trúc như Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Cấu trúc gói tin phản hồi Connect do server gửi
Mã trả về Mô tả
1 Kết nối bị từ chối – Phiên bản MQTT không phù hợp
2
Kết nối bị từ chối – Định danh của client đúng chuẩn UTF-8, nhưng không được server chấp nhận
3 Kết nối bị từ chối – Server không khả dụng 4 Kết nối bị từ chối – Xác thực sai
5 Kết nối bị từ chối – Client không được phép kết nối
- PUBLISH (client gửi cho server): Một client muốn xuất bản dữ liệu đến một topic. Mỗi gói tin PUBLISH phải có một topic có cấu trúc như Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Cấu trúc gói tin Publish
Trường Yêu cầu Mô tả
packetID Bắt buộc
Định danh cho gói là duy nhất nằm trong phần mào đầu thay đổi. Đối với QoS-0 thì giá trị packetID luôn bằng 0.
topicName Tùy chọn Nhánh chủ đề để thông điệp được đưa lên qos Tùy chọn Cấp QoS 0,1 hay 2
retainFlag Tùy chọn Cờ cho biết có duy trì thông điệp trên chủ đề payload Tùy chọn Nội dung thông điệp
dupFlag Tùy chọn Có phải là thông điệp trùng và được gửi lại
- SUBSCRIBE (client gửi cho server): Nội dung của một gói đăng ký chủ đề bao gồm tối thiểu thông tin về topic và mức QoS. Một gói đăng ký có thể có nhiều cặp topic và QoS nếu client có nhu cầu để giảm thiểu số lần gửi đăng ký, cấu trúc như Bảng 2.4.
Bảng 2.4. Cấu trúc gói tin Subcribe
Trường Yêu cầu Mô tả
packetID Bắt buộc Định danh cho gói là duy nhất nằm trong phần mào đầu thay đổi.
topic_1 Bắt buộc Đường dẫn chủ đề 1 muốn lắng nghe
qos_1 Bắt buộc Mức độ QoS mà thông điệp được gửi đến
topic_2 Tùy chọn Đường dẫn chủ đề 2 muốn lắng nghe
qos_2 Tùy chọn Mức độ QoS mà thông điệp được gửi đến
topic_2
- Tại đây cho phép thực hiện đăng ký nhiều topic sử dụng các ký tự đại diện. Chẳng hạn, ta có đường dẫn chủ đề "{country}/{city}/{temperature,humidity}".
o Ký tự đại diện một cấp "+": Thay thế một cấp trong đường dẫn tên chủ đề. Ví dụ khi đăng ký chủ đề "VN/+/temperature" có nghĩa là client đăng ký nhận thông điệp của tất cả các thành phố của Việt Nam.
o Ký tự đại diện nhiều cấp "*": Thay thế nhiều cấp trong đường dẫn tên chủ đề. Luôn là ký tự cuối cùng trong đường dẫn. Ví dụ khi đăng ký chủ đề "VN/*", có nghĩa là client đăng ký nhận tất cả các thông điệp của nước Việt Nam.
o Ký tự đại diện cho các chủ đề đặc biệt "$": Đây là chế độ thống kê đặc biệt dành cho các MQTT server. Client không được xuất bản thông điệp vào các chủ đề $.
2.2.2 Giao thức MQTT-SN:
MQTT có một phiên bản khác nhỏ gọn hơn được gọi là MQTT-SN, giao thức này được dùng cho các thiết bị cạnh biên và cấu trúc thiết kế đặc biệt cho các mạng cảm biến không dây. Các đặc điểm này bao gồm hỗ trợ các liên kết băng thông thấp, lỗi liên kết, độ dài tin nhắn ngắn và phần cứng hạn chế về tài nguyên. Trên thực tế, MQTT-SN nhẹ đến mức có thể chạy thành công qua mạng BLE và Zigbee.
MQTT-SN không yêu cầu chồng giao thức TCP/IP. Nó có thể được sử dụng qua liên kết nối tiếp, trong đó chi phí giao thức liên kết đơn giản (để phân biệt các thiết bị khác nhau trên đường truyền) thực sự nhỏ. Ngoài ra, nó có thể được sử dụng qua UDP, rõ ràng cũng tốn ít chi phí hơn TCP như MQTT.
2.2.2.1Kiến trúc giao thức MQTT-SN:
Có 4 thành phần cơ bản trong kết nối MQTT-SN:
- Gateway: Một gateway có trách nhiệm chuyển đổi giao thức từ MQTT-SN sang MQTT và ngược lại. Các gateway cũng có thể là ghép gộp hoặc trong suốt. - Forwarder: Một tuyến đường giữa một cảm biến và một gateway MQTT-SN có
thể gồm nhiều chặng và băng qua vài bộ định tuyến dọc đường. Các nút giữa client đang ở vai trò là nguồn phát tin và gateway MQTT-SN được gọi là các forwarder và nó chỉ đơn giản đóng lại khung mới cho MQTT-SN và chuyển tiếp tin đến được đúng gateway MQTT-SN.
- Client: Giống với MQTT, client có khả năng đăng ký và xuất bản thông điệp, dữ liệu.
- Broker: Vai trò giống với trong giao thức MQTT. Hình 2.4 minh họa một mô hình giao tiếp MQTT-SN.