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初识MQTT

发表于 更新于 分类于 Valine：
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最近的小项目中需要使用mqtt作为服务端到硬件模块的传输协议，于是对MQTT进行了一些了解。
一开始总是云里雾里，通过知乎，论坛等平台文章进行了解后，记录下从我的角度第一次接触了解该协议需要了解理解的东西

Emqx的MQTT介绍
MQTT协议是基于TCP建立的应用层协议，比TCP晚了25年。1999年IoT的概念刚被提出，Mqtt出现恰逢其时。

官方文档

Mqtt英文文档
Mqtt中文文档

TCP与MQTT的区别

设计背景

TCP最初被设计用于卫星基站间的通信，实现不同的短硬件之间可以互相通信。
Mqtt最初被设计用于石油管道的监控，将管道上的传感器信息传输到服务器上，实现石油管道的无人值守。需要实现：

  • 沿途鲜有网络设施，使用卫星通信更加经济，但需要注意流量的开销成本
  • 管道线路长，传感器数量大，即客户端数量庞大，服务器要支持大量的客户端连接
  • 通信频率低，且传输数据量较小
  • 现场采集的网关数量大，cpu与存储资源有限。因此协议的客户端软件需要能在资源有限的单片机，RTU上运行
  • 高轨卫星延迟高，低轨卫星覆盖面低，因此切换卫星时会出现网络中断。Server和Client需要具备保留消息收发状态的功能，保证恢复网络后的续传
  • 需提供不同等级的消息服务质量，即优先级，且保证高优消息在恶劣网络环境中的可靠性

需要传输协议能够异步管理消息。在卫星通信中断时：MQTT网络中的服务器/代理可以保存和转发从客户端到客户端的消息，如果断开连接，它将能够在以后重新连接时获取消息。

参考文章

协议定位

TCP作为一种传输层的协议，以包package为传输单位。主要处理异构网络下的丢包，阻塞，乱序，重复问题
Mqtt作为一种应用层协议，以消息为单位。主要解决在低带宽延迟不可靠的资源有限的硬件环境下，进行相对可可靠的数据传输。
TCP通过ACK与重传机制，保证发送的数据可靠稳定收到；Mqtt提供三种可选的消息发布的Qos服务等级，Mqtt客户端和Mqtt代理服务器通过seeion机制保证消息的传输可靠性。

消息服务等级

由上所述，MQTT支持不同等级的消息服务。通过将消息等级分为qos0，qos1，qos2，简化消息发送不同等级质量的工作量。
Mqtt客户端和Broker端底层通过session保障不同的qos等级。

  • 根据topic划分消息业务，又灵活的topic订阅机制
  • 异常情况下有LWT遗嘱机制，通知相应的topic订阅者客户端已离线
  • 支持TLS，保证安全性

Qos机制讲解

缺点

由于基于TCP实现，所以具有其拥有的缺点

  • 对网络环境要求较高
  • 存在RST攻击，容易被运营商拦截
  • 相对UDP消耗大，需要建立维护断开连接

MQTT就是观察者模式的网络放大版

mqtt
这是MQTT在实际应用中的一个例子，可以从架构层面感受一下MQTT协议在实际应用中的位置。

MQTT服务器

之后我打算通过实际的使用协议进行通信，实践中更好的体会一下。
Arduino社区有一位大佬写了一篇帖子，讲了一下从TCP到MQTT的连接以及关于Esp8266的编程。

MQTT nodejs实现broker

使用依赖：mosca mqtt
mosca

Mosca是MQTT在Node.js中的一个Broker的开源实现，通俗讲也就是MQTT中的Server实现。
同时作者也维护着MQTT.js这一模块，这一模块大家可理解为MQTT的Client实现。而纵观整个Node.js的module中比较有分量的也就以上两个module.

Mosca支持直接在命令行单独使用，详见

当然也支持在node.js中进行调用。首先通过new mosca.Server({port: xx})的方式创建一个MqttServer实例，其中以json的格式配置port信息。然后一个mqtt服务器算是建立起来了

然后可以进行事件监听。目前知道几个事件tag

  • clientConnected 有客户端连接时回调，回调参数是client，大概是客户端的实例，可以通过client.id获取客户端id
  • published 有消息推送到服务器时回调，参数是packet和client，大概是消息和客户端的实例。可以通过packet.topic获取时事件的主题
  • ready server运行时回调

订阅和发送MQTT消息时，甚至更加容易。
首先mqtt.connect("mqtt://127.0.0.1:port")连接到创建的服务器，得到一个client实例，然后可以通过该实例进行消息订阅和推送。
同样可以进行事件监听

  • connect 服务器连接成功时的回调
  • message 收到消息时回调，当然，只会收到订阅过的消息
    更多使用

代码示例：

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// -----创建MQTT服务器-----
const mosca = require("mosca");
const server = new mosca.Server({
  port: 1883
});
server.on("clientConnected", function(client) {
  // 	客户端连接回调
  console.log("A client connected..", client.id);
});
server.on("published", function(packet, client) {
  var topic = packet.topic;
  switch(topic) {
    case "MyTopic":
      break;
  }
});

// -----连接MQTT服务器并订阅/推送消息-----
const mqtt = require("mqtt");
const client = mqtt.connect("mqtt://127.0.0.1:1883");
client.on("connect", function() {
  // 服务器连接成功回调
  // 订阅主题为MyTopic的消息
  client.subscribe("MyTopic", {qos: 1});
});
client.on("message", function(top, message) {
  console.log("主题：" + top);
  console.log("内容：" + message.toString());
});
// 推送主题为MyTopic的消息
client.publish("MyTopic", "Hello World", {qos: 0, retain: true});

EMQX在线mqtt平台

有很多提供Mqtt服务器的平台，例如这个EMQX（附使用介绍）。实际上他也有客户端版本，可以支持在本地创建服务器，但是我没有下。tools.emqx.io这个是该平台基于WebSocket实现的版本，一个免费的公共服务器，使用的远程第三方服务器。

相当于远程创建一个Mqtt服务器后，网页上以其中一个连接到该服务器的客户端呈现，可以发送自定义主题的消息，也可以创建subscriber，以对话的形式显示订阅消息的显示。

实际上创建这么一个服务器以后，理论上也是可以通过nodejs在本地订阅和发布的。但是我尝试了几种URI却没能连上服务器（也是在这里才知道这里用的是远程服务器）

后来通过这篇文章了解到，协议应该是ws（WebSocket）而不是mqtt。因此使用以下方式可以连接到该公共服务器（/mqtt是网页配置的路径，其上可以看到）。
（可是多了一个子路径之后，有些库api要求只有ip和端口，应该怎么调用呢？？）

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const client = mqtt.connect("ws://broker.emqx.io:8083/mqtt");

总结

综上几个比较重要的信息

  • MQTT是基于TCP的应用层协议
  • MQTT由于报文紧凑等原因可以在低带宽高延迟的网络环境进行稳定传输，适用于大多数物联网开发数据传输
  • 主要的通信模式是：存在一个MQTT服务器，连接到该服务端的终端通过消息订阅与推送机制收发消息

更新

2021-05-08 MQTT Return Code

MQTT连接异常时会返回错误信息，其中携带返回码。根据返回码可以了解异常原因，附上返回码文档
MQTT连接的请求报头信息

完结 撒花 ฅ>ω<*ฅ