TCP/IP四層體系結(jié)構(gòu)。
五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)只是為了介紹網(wǎng)絡(luò)原理而設(shè)計的,實際應(yīng)用的還是TCP/IP四層體系結(jié)構(gòu)。
TCP/IP協(xié)議族
1、TCP/IP協(xié)議模型
首先,我們需要知道一個協(xié)議族的概念。協(xié)議族是多個協(xié)議的統(tǒng)稱。,TCP/IP就是一個協(xié)議族。
其包含IP、TCP、UDP、HTTP、FTP、MQTT等協(xié)議。TCP/IP協(xié)議模型:
(圖片:《計算機網(wǎng)絡(luò)》謝希仁、《TCP/IP協(xié)議詳解》)
TCP/IP協(xié)議模型分四層,上層依賴于下層。
從下到上看:
(1)第一層鏈路層(網(wǎng)絡(luò)接口層):
鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀能被網(wǎng)卡接收的條件,最常見的方式是利用網(wǎng)卡的 MAC 地址,發(fā)送方會在欲發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的首部加上接收方網(wǎng)卡的 MAC 地址信息,接收方只有監(jiān)聽到屬于自己的MAC 地址信息后,才會去接收并處理該數(shù)據(jù)。
(2)網(wǎng)絡(luò)層(網(wǎng)際層):
網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包在主機之間的傳遞 。相關(guān)協(xié)議:IP、ICMP等協(xié)議。
(3)傳輸層(運輸層):
傳輸層可以區(qū)分數(shù)據(jù)包是屬于哪一個應(yīng)用程序的。相關(guān)協(xié)議:TCP、UDP協(xié)議。
(4)應(yīng)用層
應(yīng)用層提供特定的應(yīng)用服務(wù)。相關(guān)協(xié)議:HTTP、MQTT、FTP等協(xié)議。
應(yīng)用層以下的工作完成了數(shù)據(jù)的傳遞工作,應(yīng)用層則決定了你如何應(yīng)用和處理這些數(shù)據(jù),之所以會有許多的應(yīng)用層協(xié)議, 是因為互聯(lián)網(wǎng)中傳遞的數(shù)據(jù)種類很多、差異很大、應(yīng)用場景十分多樣。
2、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
發(fā)送數(shù)據(jù)時, 將數(shù)據(jù)向下交給傳輸層。傳輸層會在數(shù)據(jù)前面加上傳輸層首部(此處以 TCP 協(xié)議為例, 傳輸層首部為 TCP 首部,也可以是 UDP 首部), 然后向下交給網(wǎng)絡(luò)層。
同樣地,網(wǎng)絡(luò)層會在數(shù)據(jù)前面加上網(wǎng)絡(luò)層首部(IP 首部) ,然后將數(shù)據(jù)向下交給鏈路層, 鏈路層會對數(shù)據(jù)進行最后一次封裝,即在數(shù)據(jù)前面加上鏈路層首部(此處使用以太網(wǎng)接口為例) ,然后將數(shù)據(jù)交給網(wǎng)卡。
數(shù)據(jù)的接收過程與發(fā)送過程正好相反,可以概括為 TCP/IP 的各層協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析的過程。
3、IP協(xié)議
(1)概念
IP 協(xié)議(Internet Protocol),又稱之為網(wǎng)際協(xié)議, IP 協(xié)議處于 IP 層工作,它是整個TCP/IP 協(xié)議棧的核心協(xié)議,上層協(xié)議都要依賴 IP 協(xié)議提供的服務(wù), IP 協(xié)議負責將數(shù)據(jù)報從源主機發(fā)送到目標主機。
IP 協(xié)議是一種無連接的不可靠數(shù)據(jù)報交付協(xié)議,協(xié)議本身不提供任何的錯誤檢查與恢復(fù)機制。
(2)IP地址
在全球的互聯(lián)網(wǎng)中,每個主機都要唯一的一個 IP 地址作為身份識別。每個 IP 地址長度為 32 比特(4 字節(jié)),使用點分十進制記法來表示,如192.168.0.1。
IP 地址劃分為 5 大類,分別為 A、 B、 C、 D、 E 五類,每一類地址都覺定了其中 IP 地址的一部分組成(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》):
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
(3)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)
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局域網(wǎng)(Local Area Network, 縮寫為 LAN),又稱內(nèi)網(wǎng), 指覆蓋局部區(qū)域(如辦公室或樓層)的計算機網(wǎng)絡(luò)。
查看本機內(nèi)網(wǎng)IP:
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廣域網(wǎng)(Wide Area Network,縮寫為 WAN),又稱廣域網(wǎng)、外網(wǎng)、公網(wǎng)。是連接不同地區(qū)計算機以進行通信的網(wǎng)絡(luò)。
查看本機外網(wǎng)IP:
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查看某網(wǎng)站IP:
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局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)示意圖
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
無線路由器把電腦、手機等設(shè)備連接到局域網(wǎng) LAN 上,并分配 IP 地址,即局域網(wǎng) IP ,我們可以稱之為 LAN-IP 。
路由器的地址就是運營商給我們的一個 IP 地址,這個 IP 地址是有效的,可以看做是 WAN-IP。
LAN-IP 是路由器分配給我們的 IP,那么我們想要跨越邊界進入廣域網(wǎng)中, 就需要將 LAN-IP 變成有效的的 IP 地址,也就是 WAN-IP,那么在路由器中就需要將IP 地址進行轉(zhuǎn)換,完成 LAN-IP<—>WAN-IP 地址轉(zhuǎn)換(NAT)。
當持有 WAN-IP 的 IP 包順利到達下一個邊界 Internet Gateway,這是通往互聯(lián)網(wǎng)Internet 的最后一道關(guān)卡,即邊界。
左邊是廣域網(wǎng),右邊是互聯(lián)網(wǎng), 也需要做 WAN-IP 與Global-IP(互聯(lián)網(wǎng)公共 IP)的轉(zhuǎn)換才能進入互聯(lián)網(wǎng)中 。
(4)IP數(shù)據(jù)報
IP 數(shù)據(jù)報的格式如下所示:
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
各字段說明:
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版本號(4bit):是IP協(xié)議的版本,對于IPv4,該值為4;對于IPv6,該值為6 。
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首部長度(4bit):用于記錄 IP 首部的數(shù)據(jù)的長度 。
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服務(wù)類型(8bit):包括:最小延時、最大傳輸、最大可靠性、最小消耗等。
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數(shù)據(jù)報長度(16bit):IP 數(shù)據(jù)報的總長度(首部加上數(shù)據(jù)區(qū)域),以字節(jié)為單位。
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標識(16bit):識別號,主機每發(fā)一次都會自動增加。
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標志(3bit):標記位,用于標記是否被分段。
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分片偏移量(13bit):表示當前分片所攜帶的數(shù)據(jù)在整個 IP 數(shù)據(jù)報中的相對偏移位置(以 8 字節(jié)為單位) 。
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生存時間(8bit):該字段用來確保數(shù)據(jù)報不會永遠在網(wǎng)絡(luò)中循環(huán) 。
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上層協(xié)議(8bit):指示了 IP 數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分應(yīng)交給哪個特定的傳輸層協(xié)議(TCP、UDP)。
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首部校驗和(16bit):首部檢驗和用于幫助路由器檢測收到的 IP 數(shù)據(jù)報首部是否發(fā)生錯誤。
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源IP地址(32bit)。
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目標IP地址(32bit)。
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選項:選項字段占據(jù) 0~40 個字節(jié)。
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數(shù)據(jù)。
4、UDP協(xié)議
UDP是 User Datagram Protocol 的簡稱, 中文名是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議, 是一種無連接、不可靠的協(xié)議。
主要特點:
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無連接、不可靠。
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盡可能提供交付數(shù)據(jù)服務(wù),出現(xiàn)差錯直接丟棄,無反饋。
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支持一對一, 一對多, 多對一,多對多的交互通信。
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速度快, UDP 沒有握手、確認、窗口、重傳、擁塞控制等機制 。
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面向報文。
UDP 雖然有很多缺點, 但是也不排除其能用于很多場合, 因為在如今的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,UDP 協(xié)議傳輸出現(xiàn)錯誤的概率是很小的, 并且它的實時性是非常好, 常用于實時視頻的傳輸,比如直播、網(wǎng)絡(luò)電話等。
因為即使是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失的情況,導(dǎo)致視頻卡幀,這也不是什么大不了的事情,所以, UDP 協(xié)議還是會被應(yīng)用與對傳輸速度有要求,并且可以容忍出現(xiàn)差錯的數(shù)據(jù)傳輸中。
(1)UDP報文
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
端口號的取值在0~65535 之間;16bit 的總長度用于記錄 UDP 報文的總長度,包括 8 字節(jié)的首部長度與數(shù)據(jù)區(qū)域。相關(guān)文章:
【socket筆記】TCP、UDP通信總結(jié)
5、TCP協(xié)議
TCP協(xié)議(TransmissionControl Protocol,傳輸控制協(xié)議),是一個面向連接的協(xié)議,無論哪一方向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)之前,都必須先在雙方之間建立一個連接,否則將無法發(fā)送數(shù)據(jù)。
TCP數(shù)據(jù)是會封裝到IP數(shù)據(jù)當中,我們現(xiàn)在看看TCP協(xié)議的頭部數(shù)據(jù)定義:
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》、《TCP/IP協(xié)議詳解》)
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16-bit source port number:16位源端口號
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16-bit destination prot number:16位目標端口號
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32-bit sequence number :32位順序號
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32-bit acknowledgment number :32位應(yīng)答號
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4-bit header length:4位頭部長度
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reserved(6 bit):保留位
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URG:緊急標志位
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ACK:應(yīng)答標志位(表明應(yīng)答號之前的數(shù)據(jù)接收成功)
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PSH:不進行緩存直接推送到應(yīng)用的標志位
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RST:標志重連接的標志位
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SYN:同步順序號以初始化連接的標志位
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FIN:發(fā)送數(shù)據(jù)完畢的標志位(表明不會再發(fā)送數(shù)據(jù)過來)
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16-bit window size:窗口大小(用于控流)
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16-bit TCP checksum:檢驗(檢驗傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確)
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16-bit urgent pointer:當URG標志被設(shè)置時有效,傳送緊急數(shù)據(jù)。
下面看一下TCP協(xié)議的一些特性:
(1)確認與重傳
TCP 提供可靠的運輸層, 但它依賴的是 IP 層的服務(wù), IP 數(shù)據(jù)報的傳輸是無連接、 不可靠的,因此它要通過確認來知道接收方確實已經(jīng)收到數(shù)據(jù)了。
但數(shù)據(jù)和確認都有可能會丟失, 因此 TCP 通過在發(fā)送時設(shè)置一個超時機制(定時器)來解決這種問題, 如果當超時時間到達的時候還沒有收到對方的確認,它就重傳該數(shù)據(jù)。
(2)緩沖機制
在發(fā)送方想要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候, 由于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)大小、 類型都是不可預(yù)估的, 而TCP 協(xié)議提供了緩沖機制來處理這些數(shù)據(jù)。
如在數(shù)據(jù)量很小的時候, TCP 會將數(shù)據(jù)存儲在一個緩沖空間中, 等到數(shù)據(jù)量足夠大的時候在進行發(fā)送數(shù)據(jù), 這樣子能提供傳輸?shù)男什⑶覝p少網(wǎng)絡(luò)中的通信量。
而且在數(shù)據(jù)發(fā)送出去的時候并不會立即刪除數(shù)據(jù),還是讓數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中,因為發(fā)送出去的數(shù)據(jù)不一定能被接收方正確接收,它需要等待到接收方的確認再將數(shù)據(jù)刪除。
(3)全雙工通信
在 TCP 連接建立后,那么兩個主機就是對等的,任何一個主機都可以向另一個主機發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是雙向流通的,所以 TCP 協(xié)議是一個全雙工的協(xié)議。
(4)流量控制
TCP 提供了流量控制服務(wù)(flow-control service)以消除發(fā)送方使接收方緩沖區(qū)溢出的可能性。
流量控制是一個速度匹配服務(wù),即發(fā)送方的發(fā)送速率與接收方應(yīng)用程序的讀取速率相匹配, TCP 通過讓發(fā)送方維護一個稱為接收窗口(receive window)的變量來提供流量控制。
(5)差錯控制
除了確認與重傳之外, TCP 協(xié)議也會采用校驗和的方式來檢驗數(shù)據(jù)的有效性,主機在接收數(shù)據(jù)的時候,會將重復(fù)的報文丟棄,將亂序的報文重組。
發(fā)現(xiàn)某段報文丟失了會請求發(fā)送方進行重發(fā),因此在 TCP 往上層協(xié)議遞交的數(shù)據(jù)是順序的、無差錯的完整數(shù)據(jù)。
關(guān)于TCP協(xié)議的一些其它內(nèi)容如三次握手、四次揮手、示例等可以看以下文章:
C語言、嵌入式應(yīng)用:TCP通信實例分析
【面試必考】TCP協(xié)議“三次握手”與“四次揮手”
【socket筆記】TCP、UDP通信總結(jié)
6、HTTP協(xié)議
HTTP 協(xié)議是 Hyper Text Transfer Protocol(超文本傳輸協(xié)議)的縮寫, 是用于從萬維網(wǎng)(WWW:World Wide Web )服務(wù)器傳輸超文本到本地瀏覽器的傳輸協(xié)議。
它是基于TCP/IP 協(xié)議通信的,因此它也是基于客戶端-服務(wù)器模型運作的,是一個應(yīng)用層協(xié)議,可以用它來傳輸服務(wù)器的各種資源,如文本、圖片、音頻等。
HTTP 協(xié)議的特點:
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簡單:當客戶端向服務(wù)器請求服務(wù)時,只需傳送請求方法和路徑即可獲取服務(wù)器的資源, 請求方法常用的有
GET、 HEAD、 POST等, 每種方法規(guī)定了客戶端與服務(wù)器通信的類型不同。
-
快捷:由于 HTTP 協(xié)議簡單,使得 HTTP 服務(wù)器的程序規(guī)模小,因而通信速度很快。
-
靈活:HTTP 允許傳輸任意類型的數(shù)據(jù)對象, 傳輸?shù)念愋陀?Content-Type加以標記。
-
無連接:簡單來說就是每進行一次 HTTP 通信,都要斷開一次 TCP 連接 ??呻S著 HTTP 的普及,文檔中包含大量圖片的情況多了起來,每次請求完都要斷開 TCP 連接,無疑增加通信量的開銷為了解決 TCP的連接問題, HTTP1.1提出了持久連接的方法。
-
無狀態(tài): 無狀態(tài)是指協(xié)議對于事務(wù)處理沒有記憶能力。但其實這種無狀態(tài)對于用戶來說也是不友好的(比如:很多網(wǎng)站必須要記住已經(jīng)登陸過的用戶,總不能每刷新一次頁面就要求用戶重新輸入帳號密碼),因此為了解決無狀態(tài)的問題,引入了 Cookie 技術(shù),這是一種可以讓服務(wù)器知道用戶上一次做了什么操作,并且記錄下來。
(1)URL 與資源
URL全稱是 Uniform Resource Locator, 中文叫統(tǒng)一資源定位符, 是互聯(lián)網(wǎng)上用來標識某一處資源的絕對地址,使用它我們就必然能找到資源,除非資源已經(jīng)被轉(zhuǎn)移了。
URI(Uniform Resource Identifiers)是一個通用的概念,由兩個子集組成,分別是 URL 和 URN, URL 是通過資源的位置來標識資源,而 URN 更高級一點,只需通過資源名字即可識別資源,與他們所處的位置是無關(guān)的,目前暫時還未推廣 URN。
URL的通用格式如下(絕大部分的 URL 是不會包含所有組件的內(nèi)容的 ):
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
(2)HTTP報文
① 請求報文:
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
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method (方法):
HTTP 請求報文的起始行以方法作為開始,方法用來告知服務(wù)器要做些什么, 常見的方法有GET、 POST、 HEAD` 等 。
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請求 URL(request-URL) :指定了所請求的資源。
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版本(version):指定報文所使用的 HTTP 協(xié)議版本 。
② 應(yīng)答報文:
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
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狀態(tài)碼(status):這是在 HTTP 應(yīng)答報文中使用的。不同狀態(tài)碼代表不同的含義:
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
實例:
7、MQTT協(xié)議
MQTT 協(xié)議全稱是 Message Queuing Telemetry Transport,翻譯過來就是消息隊列遙測傳輸協(xié)議,它是物聯(lián)網(wǎng)常用的應(yīng)用層協(xié)議。
其運行在 TCP/IP 中的應(yīng)用層中,依賴 TCP 協(xié)議,因此它具有非常高的可靠性,同時它是基于 TCP 協(xié)議的<客戶端-服務(wù)器>模型發(fā)布/訂閱主題消息的輕量級協(xié)議。
(1)MQTT通信模型
(圖片來源:野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》)
MQTT協(xié)議是基于客戶端-服務(wù)器模型,在協(xié)議中主要有三種身份:發(fā)布者(Publisher)、服務(wù)器(Broker)以及訂閱者(Subscriber)。
MQTT 消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端,服務(wù)器只是作為一個中轉(zhuǎn)的存在,將發(fā)布者發(fā)布的消息進行轉(zhuǎn)發(fā)給所有訂閱該主題的訂閱者。
MQTT 客戶端的功能:
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發(fā)布消息給其它相關(guān)的客戶端。
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訂閱主題請求接收相關(guān)的應(yīng)用消息。
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取消訂閱主題請求移除接收應(yīng)用消息。
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從服務(wù)端終止連接。
MQTT 服務(wù)器常被稱為 Broker(消息代理) 。它的功能有:
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接受來自客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接請求。
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接受客戶端發(fā)布的應(yīng)用消息。
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處理客戶端的訂閱和取消訂閱請求。
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轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用消息給符合條件的已訂閱客戶端(包括發(fā)布者自身)。
(2)MQTT消息
MQTT所發(fā)的消息包含:主題 內(nèi)容,客戶端可以訂閱任意主題,若有其它客戶端發(fā)布主題時符合所訂閱的主題,就會由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到客戶端。
什么是主題?
MQTT 服務(wù)器為每個連接的客戶端(訂閱者)添加一個標簽,該標簽與服務(wù)器中的所有訂閱相匹配, 服務(wù)器會將消息轉(zhuǎn)發(fā)給與標簽相匹配的每個客戶端。這樣的一個標簽就是主題。
實例:
服務(wù)質(zhì)量:
MQTT提供三種服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,簡寫QoS),供開發(fā)者根據(jù)不同的情景選擇不同的服務(wù)級別:
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QoS0:最多發(fā)送一次消息,在消息發(fā)送出去后,接收者不會發(fā)送回應(yīng),發(fā)送者也不會重發(fā)消息。
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QoS1:最少發(fā)送一次消息(消息最少需要送達一次,也有可送達多次), QoS 1的 PUBLISH 報文的可變報頭中包含一個報文標識符,需要 PUBACK 報文確認。
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QoS2:這是最高等級的服務(wù)質(zhì)量,消息丟失和重復(fù)都是不可接受的。只不過使用這個服務(wù)質(zhì)量等級會有額外的開銷,這個等級常用于支付中,因為支付是必須有且僅有一次成功,總不能沒給錢或者給了多次錢吧。
以上就是本次分享的一些計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識,計算機網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容很多,一篇文章不可能全部覆蓋,以上也僅僅是一些概括性地抽取一些表層內(nèi)容過來分享,需要閱讀相關(guān)書籍來加深學習。
內(nèi)容來源
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野火《LWIP應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南》
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《計算機網(wǎng)絡(luò)》謝希仁
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《TCP/IP協(xié)議詳解》
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關(guān)鍵字: 拓撲結(jié)構(gòu) 計算機網(wǎng)絡(luò) 樹形計算機網(wǎng)絡(luò)是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設(shè)備,通過通信線路連接起來,在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下,實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。
關(guān)鍵字: 計算機網(wǎng)絡(luò) 操作系統(tǒng) 資源共享摘 要 :新經(jīng)濟的加速發(fā)展對工程型人才培養(yǎng)提出了新的要求,物聯(lián)網(wǎng)工程作為典型的新工科建設(shè)專業(yè)需要不斷探索專業(yè)建設(shè)的新方法。討論了傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)課程存在的問題及需要改進的方向,探索了以創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的計算機網(wǎng)絡(luò)課...
關(guān)鍵字: 新工科 物聯(lián)網(wǎng)工程 創(chuàng)新型工程人才 計算機網(wǎng)絡(luò) 課程改革 空間映射當我每了解一個新技術(shù)或者新框架的時候,我都想要先把名字概念弄懂是什么,可見概念對于我們的幫助非常大。計算機網(wǎng)絡(luò)中的概念也是非常龐雜,理解起來比較困難,所以這里,我給大家匯總了計算機網(wǎng)絡(luò)中89個常見的概念,希望對你有所幫助...
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關(guān)鍵字: 計算機網(wǎng)絡(luò)程序員不要總停留在應(yīng)用層面的CRUD,對于計算機底層的一些知識,也是需要了解的。
關(guān)鍵字: 計算機網(wǎng)絡(luò) 程序員 TCP