C#使用 MQTTnet 快速实现 MQTT 通信

1 什么是 MQTT ？
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是 IBM 开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。MQTT 是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议，如今已经成为 OASIS 规范，由于规范很简单，非常适合需要低功耗和网络带宽有限的 IoT 场景。MQTT官网

2 MQTTnet
MQTTnet 是一个基于 MQTT 通信的高性能 .NET 开源库，它同时支持 MQTT 服务器端和客户端。而且作者也保持更新，目前支持新版的.NET core，这也是选择 MQTTnet 的原因。 MQTTnet 在 Github 并不是下载最多的 .NET 的 MQTT 开源库，其他的还 MqttDotNet、nMQTT、M2MQTT 等

MQTTnet is a high performance .NET library for MQTT based communication. It provides a MQTT client and a MQTT server (broker). The implementation is based on the documentation from http://mqtt.org/.

3 创建项目并导入类库
这里我们使用 Visual Studio 2017 创建一个空解决方案，并在其中添加两个项目，即一个服务端和一个客户端，服务端项目模板选择最新的 .NET Core 控制台应用，客户端项目选择传统的 WinForm 窗体应用程序。.NET Core 项目模板如下图所示：

在解决方案在右键单击-选择“管理解决方案的 NuGet 程序包”-在“浏览”选项卡下面搜索 MQTTnet，为服务端项目和客户端项目都安装上 MQTTnet 库，当前最新稳定版为 2.4.0。项目结构如下图所示：

4 服务端
MQTT 服务端主要用于与多个客户端保持连接，并处理客户端的发布和订阅等逻辑。一般很少直接从服务端发送消息给客户端（可以使用 mqttServer.Publish(appMsg); 直接发送消息），多数情况下服务端都是转发主题匹配的客户端消息，在系统中起到一个中介的作用。

4.1 创建服务端并启动
创建服务端最简单的方式是采用 MqttServerFactory 对象的 CreateMqttServer 方法来实现，该方法需要一个MqttServerOptions 参数。

var options = new MqttServerOptions();
var mqttServer = new MqttServerFactory().CreateMqttServer(options);

通过上述方式创建了一个 IMqttServer 对象后，调用其 StartAsync 方法即可启动 MQTT 服务。值得注意的是：之前版本采用的是 Start 方法，作者也是紧跟 C# 语言新特性，能使用异步的地方也都改为异步方式。

await mqttServer.StartAsync();

4.2 验证客户端

在 MqttServerOptions 选项中，你可以使用 ConnectionValidator 来对客户端连接进行验证。比如客户端ID标识 ClientId，用户名 Username 和密码 Password 等。

var options = new MqttServerOptions
{
ConnectionValidator = c =>
{
if (c.ClientId.Length < 10)
{
return MqttConnectReturnCode.ConnectionRefusedIdentifierRejected;
}

if (c.Username != "xxx" || c.Password != "xxx")
{
return MqttConnectReturnCode.ConnectionRefusedBadUsernameOrPassword;
}

return MqttConnectReturnCode.ConnectionAccepted;
}
};

4.3 相关事件

服务端支持 ClientConnected、ClientDisconnected 和 ApplicationMessageReceived 事件，分别用来检查客户端连接、客户端断开以及接收客户端发来的消息。

其中 ClientConnected 和 ClientDisconnected 事件的事件参数一个客户端连接对象 ConnectedMqttClient，通过该对象可以获取客户端ID标识 ClientId 和 MQTT 版本 ProtocolVersion。

ApplicationMessageReceived 的事件参数包含了客户端ID标识 ClientId 和 MQTT 应用消息 MqttApplicationMessage 对象，通过该对象可以获取主题 Topic、QoS QualityOfServiceLevel 和消息内容 Payload 等信息。

5 客户端
MQTT 与 HTTP 不同，后者是基于请求/响应方式的，服务器端无法直接发送数据给客户端。而 MQTT 是基于发布/订阅模式的,所有的客户端均与服务端保持连接状态。

那么客户端之间是如何通信的呢？

具体逻辑是：某些客户端向服务端订阅它感兴趣（主题）的消息，另一些客户端向服务端发布（主题）消息，服务端将订阅和发布的主题进行匹配，并将消息转发给匹配通过的客户端。

5.1 创建客户端并连接
使用 MQTTnet 创建 MQTT 也非常简单，只需要使用 MqttClientFactory 对象的 CreateMqttClient 方法即可。

var mqttClient = new MqttClientFactory().CreateMqttClient();

创建客户端对象后，调用其异步方法 ConnectAsync 来连接到服务端。

await mqttClient.ConnectAsync(options);

调用该方法时需要传递一个 MqttClientTcpOptions 对象（之前的版本是在创建对象时使用该选项），该选项包含了客户端ID标识 ClientId、服务端地址（可以使用IP地址或域名）Server、端口号 Port、用户名 UserName、密码 Password 等信息。

var options = new MqttClientTcpOptions
{
    Server = "127.0.0.1",
    ClientId = "c001",
    UserName = "u001",
    Password = "p001",
    CleanSession = true
};

5.2 相关事件

客户端支持 Connected、Disconnected 和 ApplicationMessageReceived 事件，用来处理客户端与服务端连接、客户端从服务端断开以及客户端收到消息的事情。

5.2 订阅消息
客户端连接到服务端之后，可以使用 SubscribeAsync 异步方法订阅消息，该方法可以传入一个可枚举或可变参数的主题过滤器 TopicFilter 参数，主题过滤器包含主题名和 QoS 等级。

mqttClient.SubscribeAsync(new List<TopicFilter> {
    new TopicFilter("家/客厅/空调/#", MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce)
});

5.3 发布消息

发布消息前需要先构建一个消息对象 MqttApplicationMessage，最直接的方法是使用其实构造函数，传入主题、内容、Qos 等参数。

mqttClient.SubscribeAsync(new List<TopicFilter> {
    new TopicFilter("家/客厅/空调/#", MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce)
});

得到 MqttApplicationMessage 消息对象后，通过客户端对象调用其 PublishAsync 异步方法进行消息发布。

mqttClient.PublishAsync(appMsg);

6 跟踪消息

MQTTnet 提供了一个静态类 MqttNetTrace 来对消息进行跟踪，该类可用于服务端和客户端。MqttNetTrace 的事件TraceMessagePublished 用于跟踪服务端和客户端应用的日志消息，比如启动、停止、心跳、消息订阅和发布等。事件参数MqttNetTraceMessagePublishedEventArgs 包含了线程ID ThreadId、来源 Source、日志级别 Level、日志消息 Message、异常信息 Exception 等。

MqttNetTrace.TraceMessagePublished += MqttNetTrace_TraceMessagePublished;

private static void MqttNetTrace_TraceMessagePublished(object sender, MqttNetTraceMessagePublishedEventArgs e)
{
    Console.WriteLine($">> 线程ID：{e.ThreadId} 来源：{e.Source} 跟踪级别：        {e.Level} 消息: {e.Message}");

    if (e.Exception != null)
    {
        Console.WriteLine(e.Exception);
    }
}    

同时 MqttNetTrace 类还提供了4个不同消息等级的静态方法，Verbose、Information、Warning 和 Error，用于给出不同级别的日志消息，该消息将会在 TraceMessagePublished 事件中输出，你可以使用 e.Level 进行过虑。

7 运行效果
以下分别是服务端、客户端1和客户端2的运行效果，其中客户端1和客户端2只是同一个项目运行了两个实例。客户端1用于订阅传感器的“温度”数据，并模拟上位机（如 APP 等）发送开关控制命令；客户端2订阅上位机传来的“开关”控制命令，并模拟温度传感器上报温度数据。

7.1 服务端

7.2 客户端1

7.2 客户端2

8 Demo代码
8.1 服务端代码

using MQTTnet;
using MQTTnet.Core.Adapter;
using MQTTnet.Core.Diagnostics;
using MQTTnet.Core.Protocol;
using MQTTnet.Core.Server;
using System;
using System.Text;
using System.Threading;

namespace MqttServerTest
{
    class Program
    {
        private static MqttServer mqttServer = null;

        static void Main(string[] args)
        {
            MqttNetTrace.TraceMessagePublished += MqttNetTrace_TraceMessagePublished;
            new Thread(StartMqttServer).Start();

            while (true)
            {
                var inputString = Console.ReadLine().ToLower().Trim();

                if (inputString == "exit")
                {
                    mqttServer?.StopAsync();
                    Console.WriteLine("MQTT服务已停止！");
                    break;
                }
                else if (inputString == "clients")
                {
                    foreach (var item in mqttServer.GetConnectedClients())
                    {
                        Console.WriteLine($"客户端标识：{item.ClientId}，协议版本：{item.ProtocolVersion}");
                    }
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine($"命令[{inputString}]无效！");
                }
            }
        }

        private static void StartMqttServer()
        {
            if (mqttServer == null)
            {
                try
                {
                    var options = new MqttServerOptions
                    {
                        ConnectionValidator = p =>
                        {
                            if (p.ClientId == "c001")
                            {
                                if (p.Username != "u001" || p.Password != "p001")
                                {
                                    return MqttConnectReturnCode.ConnectionRefusedBadUsernameOrPassword;
                                }
                            }

                            return MqttConnectReturnCode.ConnectionAccepted;
                        }
                    };

                    mqttServer = new MqttServerFactory().CreateMqttServer(options) as MqttServer;
                    mqttServer.ApplicationMessageReceived += MqttServer_ApplicationMessageReceived;
                    mqttServer.ClientConnected += MqttServer_ClientConnected;
                    mqttServer.ClientDisconnected += MqttServer_ClientDisconnected;
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    Console.WriteLine(ex.Message);
                    return;
                }
            }

            mqttServer.StartAsync();
            Console.WriteLine("MQTT服务启动成功！");
        }

        private static void MqttServer_ClientConnected(object sender, MqttClientConnectedEventArgs e)
        {
            Console.WriteLine($"客户端[{e.Client.ClientId}]已连接，协议版本：{e.Client.ProtocolVersion}");
        }

        private static void MqttServer_ClientDisconnected(object sender, MqttClientDisconnectedEventArgs e)
        {
            Console.WriteLine($"客户端[{e.Client.ClientId}]已断开连接！");
        }

        private static void MqttServer_ApplicationMessageReceived(object sender, MqttApplicationMessageReceivedEventArgs e)
        {
            Console.WriteLine($"客户端[{e.ClientId}]>> 主题：{e.ApplicationMessage.Topic} 负荷：{Encoding.UTF8.GetString(e.ApplicationMessage.Payload)} Qos：{e.ApplicationMessage.QualityOfServiceLevel} 保留：{e.ApplicationMessage.Retain}");
        }

        private static void MqttNetTrace_TraceMessagePublished(object sender, MqttNetTraceMessagePublishedEventArgs e)
        {
            /*Console.WriteLine($">> 线程ID：{e.ThreadId} 来源：{e.Source} 跟踪级别：{e.Level} 消息: {e.Message}");
            if (e.Exception != null)
            {
            Console.WriteLine(e.Exception);
            }*/
        }
    }
}

8.2 客户端代码

using MQTTnet;
using MQTTnet.Core;
using MQTTnet.Core.Client;
using MQTTnet.Core.Packets;
using MQTTnet.Core.Protocol;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace MqttClientWin
{
    public partial class FmMqttClient : Form
    {
        private MqttClient mqttClient = null;

        public FmMqttClient()
        {
            InitializeComponent();

            Task.Run(async () => { await ConnectMqttServerAsync(); });
        }

        private async Task ConnectMqttServerAsync()
        {
            if (mqttClient == null)
            {
                mqttClient = new MqttClientFactory().CreateMqttClient() as MqttClient;
                mqttClient.ApplicationMessageReceived += MqttClient_ApplicationMessageReceived;
                mqttClient.Connected += MqttClient_Connected;
                mqttClient.Disconnected += MqttClient_Disconnected;
            }

            try
            {
                var options = new MqttClientTcpOptions
                {
                    Server = "127.0.0.1",
                    ClientId = Guid.NewGuid().ToString().Substring(0, 5),
                    UserName = "u001",
                    Password = "p001",
                    CleanSession = true
                };

                await mqttClient.ConnectAsync(options);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Invoke((new Action(() =>
                {
                    txtReceiveMessage.AppendText($"连接到MQTT服务器失败！" + Environment.NewLine + ex.Message + Environment.NewLine);
                })));
            }
        }

        private void MqttClient_Connected(object sender, EventArgs e)
        {
            Invoke((new Action(() =>
            {
                txtReceiveMessage.AppendText("已连接到MQTT服务器！" + Environment.NewLine);
            })));
        }

        private void MqttClient_Disconnected(object sender, EventArgs e)
        {
            Invoke((new Action(() =>
            {
                txtReceiveMessage.AppendText("已断开MQTT连接！" + Environment.NewLine);
            })));
        }

        private void MqttClient_ApplicationMessageReceived(object sender, MqttApplicationMessageReceivedEventArgs e)
        {
            Invoke((new Action(() =>
            {
                txtReceiveMessage.AppendText($">> {Encoding.UTF8.GetString(e.ApplicationMessage.Payload)}{Environment.NewLine}");
            })));
        }

        private void BtnSubscribe_ClickAsync(object sender, EventArgs e)
        {
            string topic = txtSubTopic.Text.Trim();

            if (string.IsNullOrEmpty(topic))
            {
                MessageBox.Show("订阅主题不能为空！");
                return;
            }

            if (!mqttClient.IsConnected)
            {
                MessageBox.Show("MQTT客户端尚未连接！");
                return;
            }

            mqttClient.SubscribeAsync(new List<TopicFilter> {new TopicFilter(topic, MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce)});

            txtReceiveMessage.AppendText($"已订阅[{topic}]主题" + Environment.NewLine);
            txtSubTopic.Enabled = false;
            btnSubscribe.Enabled = false;
        }

        private void BtnPublish_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            string topic = txtPubTopic.Text.Trim();

            if (string.IsNullOrEmpty(topic))
            {
                MessageBox.Show("发布主题不能为空！");
                return;
            }

            string inputString = txtSendMessage.Text.Trim();
            var appMsg = new MqttApplicationMessage(topic, Encoding.UTF8.GetBytes(inputString), MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce, false);
            mqttClient.PublishAsync(appMsg);
        }
    }
}

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