主题别名 - MQTT 5.0 新特性

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MQTT v5 相较于 MQTT v3.1 和 v3.1.1 提供了许多新特性。我们会尽量以通俗易懂的方式展示这些特性,并探讨这些特性对开发者的影响。我们已经探讨过其中一部分 MQTT v5 新特性,今天将继续讨论:主题别名

什么是主题别名

主题别名(Topic Alias)是 MQTT v5.0 中新加入的与主题名(topic)相关的特性。它允许用户将主题长度较长且常用的主题名缩减为一个双字节整数来降低发布消息时的带宽消耗。

它是一个双字节整数,并将作为属性字段,编码在PUBLISH报文中可变报头部分。并且在实际应用中,将受到CONNECT报文和CONNACK报文中“主题别名最大长度”属性的限制。只要不超过该限制,任何主题名,都可以使用此特性缩减为编码长度2字节的整数。

为什么使用主题别名

在使用 MQTT v3 协议时。如果客户端在某次连接中需要发布大量相同主题的消息,那么在每一条PUBLISH报文中写入相同的主题名,就造成了客户端和服务端之间带宽资源的浪费。同时对于服务端而言,每次对相同主题名的 UTF-8 字符串进行解析,都是对计算资源的浪费。

设想这样的场景,在位置 A 以固定频率报告温度湿度的传感器:

  • 使用 /position/A/temperature 作为该位置温度消息的主题(长度23字节);
  • 使用 /position/A/humidity 作为该位置湿度消息的主题(长度20字节)。

除去第一次发布消息外,之后的每个PUBLISH报文,都需要将“主题名”这个已经传递过的信息再次通过网络传输。即便抛开客户端和服务端之间额外的带宽消耗不言,对服务端来说,面对成千上万的传感器发布的大量消息,对每个客户端的每条消息,都要将同样的主题名字符串进行解析,这将造成了计算资源的浪费。

此时使用 MQTT v5 中的主题别名特性,就可以有效降低资源消耗。当客户端或服务端发布频率较高,且主题名长度较大的情景下,使用主题别名可以将每条消息中主题名的带宽消耗缩减为 2 字节,同时因为计算机处理整数的效率高于处理字符串的效率,对于客户端或服务端在报文解析时消耗的计算资源也有了一定的节约。

怎样使用主题别名

主题别名生命周期和作用范围

该值由客户端和服务端各自维护,且生命周期和作用范围仅限于当前连接。连接断开后需要再次使用主题别名需要重新建立主题别名<=>主题名映射关系。

主题别名最大值(Topic Alias Maximum)

MQTT 客户端和服务端使用主题别名进行发布消息前,需要对可以使用的最大主题别名长度进行约定。这部份信息交换将在CONNECT报文和CONNACK报文中完成。“主题别名最大值”也将以报文属性的形式,用双字节整数值编码在CONNECTCONNACK报文的可变报头中。
客户端的CONNECT报文中"主题别名最大值"指示了本客户端在此次连接中服务端可以使用的最大主题别名数量;同样地,服务端发送的CONNACK报文中,也通过此值表明了当前连接中对端(客户端)可以使用的最大主题别名数量。

MQTT 主题别名最大值

设置与使用主题别名

客户端(或服务端)在发送PUBLISH报文时,可以在可变报头的属性部分,用一个字节,值为0x23的标识符指示接下来2字节将是主题别名值。

但主题别名值不允许为0,也不允许大于服务端(客户端)发送的CONNACKCONNECT)报文中设置的主题别名最大值。

对端接收到带有主题别名值和非空主题名的PUBLISH报文后,将建立主题别名和主题名的映射关系,在此之后发送的PUBLISH报文中,便可以仅用长度2字节的主题别名发布消息,对端将使用通过之前建立的主题别名<=>主题名映射关系来处理消息中的主题。并且由于这一映射关系由双端各自维护,所以客户端与服务端可以使用值相同的主题别名互相发布消息。

设置与使用 MQTT 主题别名

使用未设置的主题别名

PUBLISH报文中使用的主题别名值如果在此前的报文中未进行设置,即对端并未建立当前主题别名到某个主题名的映射关系,而此条报文的可变报头中主题名字段为空,对端将使用包含原因码(REASON_CODE)为0x82DISCONNECT报文断开网络连接。

使用未设置的 MQTT 主题别名

重置主题别名

当对端已经根据本次连接中某个PUBLISH报文创建了一个主题别名<=>主题名的映射关系时,可以在下一次发送PUBLISH报文时使用同样的主题别名值和非空的主题名来更新这个主题别名值到主题名的映射关系。

重置 MQTT 主题别名

总结

主题别名作为 MQTT v5 新提供的特性,为 pub/sub 这一消息传递模型提供了更灵活的使用方式,对于主题名一致且数量大、重复性高的消息而言,可以有效节省带宽资源和计算资源。

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EMQ(杭州映云科技有限公司)是一家开源物联网数据基础设施软件供应商,交付全球领先的开源 MQTT 消息服...

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