使用MQTT消息通信-Mosquitto搭建

MQTT协议广泛用于物联网设备的消息传输，关于MQTT和MQTT的使用，我们准备多讲几次课，主要包括MQTT的概念和原理，MQTT的服务软件Mosquitto的搭建和使用，MQTT的python开发软件包paho-mqtt的使用，以及我们的物联网平台如何集成MQTT消息服务及其代码开发。

 

MQTT物联网应用场景设计

场景一：云端订阅设备。设备采用MQTT协议发布（publish）数据，我们云端的iotplus平台需要接收数据并进行保存。我们可以理解为，设备发布数据，云端订阅保存数据。

场景二：向设备下发指令数据，设备侧订阅。用户一般采用移动APP应用软件控制物联网设备，如果移动APP应用也是采用MQTT协议发布（publish）指令数据，设备侧订阅到数据很容易。如果移动APP应用调用的是restful api接口，我们需要在接口的业务逻辑里增加发布（publish）指令的动作。

场景三：MQTT动作。怎么理解MQTT动作呢？简单理解就是MQTT发布一个消息出去。MQTT动作的应用场景是什么呢？举例来说，在触发的情况下，当传感器A测量出的温度大于28摄氏度时，我们希望触发系统自动发布一个温度设置的指令给到空调，系统发布的动作，我们可以采用MQTT协议发布（publish）指令。这个就是我们理解的MQTT动作及其使用场景。

MQTT概念及其原理 

简述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

设计规范

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

（1）精简，不添加可有可无的功能；

（2）发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；

（3）允许用户动态创建主题，零运维成本；

（4）把传输量降到最低以提高传输效率；

（5）把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；

（6）支持连续的会话控制；

（7）理解客户端计算能力可能很低；

（8）提供服务质量管理；

（9）假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

主要特性

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

（1）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。

这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。可扩展消息处理现场协议(eXtensible Messaging and Presence Protocol , XMPP) 是一种基于可扩展标记语言(eXtensible Markup Language, XML)的近端串流式即时通信协议。

（2）对负载内容屏蔽的消息传输。

（3）使用TCP/IP提供网络连接。

主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

（4）有三种消息发布服务质量：

"至多一次"，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。

"至少一次"，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

"只有一次"，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

（5）小型传输，开销很小（固定长度的头部是2字节），协议交换最小化，以降低网络流量。

这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。

（6）使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。

Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。

 

MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；

（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

 

MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

（1）发布其他客户端可能会订阅的信息；

（2）订阅其它客户端发布的消息；

（3）退订或删除应用程序的消息；

（4）断开与服务器连接。

 

MQTT服务器

MQTT服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

（1）接受来自客户的网络连接；

（2）接受客户发布的应用信息；

（3）处理来自客户端的订阅和退订请求；

（4）向订阅的客户转发应用程序消息。

 

MQTT协议中的方法

 

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

（1）Connect。等待与服务器建立连接。

（2）Disconnect。等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。

（3）Subscribe。等待完成订阅。

（4）UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。

（5）Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

Mosquitto
Eclipse Mosquitto是一个开源消息代理，实现了MQTT协议版本3.1和3.1.1。Mosquitto轻量，适用于低功耗单板计算机到完整服务器的所有设备。Mosquitto项目还提供了用于实现MQTT客户端的C库以及非常受欢迎的mosquitto_pub和mosquitto_sub命令行MQTT客户端。paho-mqtt就是实现MQTT客户端的python库。 

 

 

ubuntu操作系统上安装
简单：apt install mosquitto

windows操作系统上安装
官网下载：

https://mosquitto.org/download/

安装与测试：

1.先启动代理服务Broker

./mosquitto -c mosquitto.conf

 

 2.订阅者（subscribe）订阅主题

mosquitto_sub -v -t topic1

 

 

3.发布者（publish）发布消息

mosquitto_pub -t topic1 -m 'hellolaodi'

 

 

mosquitto_pub（发布）的用法

用法：

mosquitto_pub [-d] [-h hostname] [-i client_id] [-I client id prefix] [-p port number] [-q message QoS] [--quiet] [-r] { -f file | -l | -m message 
| -n | -s} [-u username [-P password] ] [ --will-topic topic [--will-payload payload] [--will-qos qos] [--will-retain] ] -t message-topic

选项：

-d, –debug ：开启debug选项

-f, –file：把一个文件的内容做为消息的内容发送。经测试，支持txt文件，不支持doc等其他形式文件。

-h, –host：说明所连接到的域名，默认是localhost

-i, –id：客户端的ID号，如果没有指定，默认是mosquitto_pub_加上客户端的进程id，不能和–id_prefix同时使用。

-I, –id-prefix ：指定客户端ID的前缀，与客户端的进程ID连接组成客户端的ID，不能和–id同时使用。

-l, –stdin-line：从总段读取输入发送消息，一行为一条消息，空白行不会被发送。

-m, –message：从命令行发送一条消息，-m后面跟发送的消息内容。

-n, –null-message：发送一条空消息。

-p, –port：连接的端口号，默认是1883.

-P, –pw：指定密码用于代理认证，使用此选项时必须有有效的用户名。

-q, –qos：指定消息的服务质量，可以为0,1,2，默认是0.

–quiet：如果指定该选项，则不会有任何错误被打印，当然，这排除了无效的用户输入所引起的错误消息。

-r, –retain：如果指定该选项，该条消息将被保留做为最后一条收到的消息。下一个订阅消息者将能至少收到该条消息。

-s, –stdin-file：从标准输入接收传输的消息内容，所有输入做为一条消息发送。

-t, –topic：指定消息所发布到哪个主题。

-u, –username：指定用户名用于代理认证。

–will-payload：如果指定该选项，则万一客户端意外和代理服务器断开，则该消息将被保留在服务端并发送出去，该选项必须同时用–will-topic指定主题。

–will-qos：指定Will的服务质量，默认是0.必须和选项 –will-topic同时使用.

–will-retain：如果指定该选项，则万一客户端意外断开，已被发送的消息将被当做retained消息。必须和选项 –will-topic同时使用.

–will-topic：指定客户端意外断开时，Will消息发送到的主题。

 

 

 

mosquitto_sub（订阅）的用法

用法：

mosquitto_sub [-c] [-d] [-h hostname] [-i client_id] [-I client id prefix] [-k keepalive time] [-p port number] [-q message QoS] [--quiet] [-v] [ -u username [-Ppassword] ] [ --will-topic topic [--will-payload payload] [--will-qos qos] [--will-retain] ] -t message topic ...命令：

mosquitto_sub 订阅到主题，接收到消息时打印 选项：

-c, –disable-clean-session：禁止’clean session’选项，即如果客户端断开连接，这个订阅仍然保留来接收随后到的QoS为1和2的消息，当改客户端重新连接之后，它将接收到已排在队列中的消息。建议使用此选项时，客户端id选项设为–id

-d, –debug：开启debug选项

-h, –host：说明所连接到的域名，默认是localhost

-i, –id：客户端的ID号，如果没有指定，默认是mosquitto_pub_加上客户端的进程id，不能和–id_prefix同时使用。

-I, –id-prefix：指定客户端ID的前缀，与客户端的进程ID连接组成客户端的ID，不能喝–id同时使用。

-k, –keepalive：给代理发送PING命令（目的在于告知代理该客户端连接保持且在正常工作）的间隔时间，默认是60s

-p, –port：说明客户端连接到的端口，默认是1883

-P, –pw：指定密码用于代理认证，使用此选项时必须有有效的用户名。

-q, –qos：指定消息的服务质量，可以为0,1,2，默认是0.

–quiet：如果指定该选项，则不会有任何错误被打印，当然，这排除了无效的用户输入所引起的错误消息。

-t, –topic：指定订阅的消息主题，允许同时订阅到多个主题

-u, –username：指定用户名用于代理认证。

-v, –verbose：冗长地打印收到的消息。若指定该选项，打印消息时前面会打印主题名——“主题 消息内容”，否则，只打印消息内容

–will-payload：如果指定该选项，则万一客户端意外和代理服务器断开，则该消息将被保留在服务端并发送出去，该选项必须同时用–will-topic指定主题。

–will-qos：指定Will的服务质量，默认是0.必须和选项 –will-topic同时使用.

–will-retain：如果指定该选项，则万一客户端意外断开，已被发送的消息将被当做retained消息。必须和选项 –will-topic同时使用.

–will-topic：指定客户端意外断开时，Will消息发送到的主题。