MQTT结构分析

2015-04-02 11:29 辣椒酱阅读(4183) 评论(0) 编辑收藏举报

MQTT，是：

轻量级的消息订阅和发布（publish/subscribe）协议
建立在TCP/IP协议之上

IoT，internet of things，物联网，MQTT在这方面应用较多。

官方网站：http://mqtt.org/

MQTT协议是针对如下情况设计的：

M2M（Machine to Machine） communication，机器端到端通信，比如传感器之间的数据通讯
因为是Machine to Machine，需要考虑：
- Machine，或者叫设备，比如温度传感器，硬件能力很弱，协议要考虑尽量小的资源消耗，比如计算能力和存储等
- M2M可能是无线连接，网络不稳定，带宽也比较小

MQTT协议的架构，用一个示例说明。比如有1个温度传感器（1个Machine），2个小的显示屏（2个Machine)，显示屏要显示温度传感器的温度值。

可通过MQTT V3.1 Protocol Specification查阅详细规范的细节。

显示器需要先通过MQTT协议subscribe（订阅）一个比如叫temperature的topic（主题）：

当温度传感器publish（发布）温度数据，显示器就可以收到了：

注：以上两张图，取自MQTT and CoAP, IoT Protocols

协议里还有2个主要的角色：

client，客户端
broker，服务器端

它们是通过TCP/IP协议连接的。

因为MQTT是协议，所以不能拿来直接用的，就好比HTTP协议一样。需要找实现这个协议的库或者服务器来运行。

这里是官方的Server support。

我服务器端使用nodejs开发，因此选择了：

MQTT.js：MQTT协议的底层实现库，服务器端很简易，需要自己编写代码才可使用
Mosca：在MQTT.js基础上完善的服务器端

MQTT.js最基本使用

安装是很简单的：

npm install mqtt

MQTT.js实现的服务器端

代码如下：

var mqtt = require('mqtt');
//{'topicName':[clientObj,clientObj ..]}
var subscribeTopics={};
//创建服务器对象
var server = mqtt.createServer(function(client) {
//建立连接时触发
client.on('connect', function(packet) {
client.connack({returnCode: 0});
});
//客户端发布主题时触发
client.on('publish', function(packet) {
var topic=packet.topic;
var payload=packet.payload;
//如果没有创建空的主题对应的client数组
if(subscribeTopics[topic]==null){
subscribeTopics[topic]=[];
}else{
//遍历该主题下全部client，并逐一发送消息
for(var i in subscribeTopics[topic]){
var client=subscribeTopics[topic][i];
client.publish({
topic: topic,
payload: payload
});
}
}
});
//当客户端订阅时触发
client.on('subscribe', function(packet) {
var topic=packet.subscriptions[0].topic;
//如没有，创建空的主题对应的client数组
if(subscribeTopics[topic]==null){
subscribeTopics[topic]=[];
}
//如果client数组中没有当前client，加入
if(subscribeTopics[topic].indexOf(client)==-1){
subscribeTopics[topic].push(client);
}
 
});
client.on('pingreq', function(packet) {
client.pingresp();
});
client.on('disconnect', function(packet) {
//遍历所有主题，检查对应的数组中是否有当前client，从数组中删除
for (var topic in subscribeTopics){
var index=subscribeTopics[topic].indexOf(client);
if(index>-1){
subscribeTopics[topic].splice(index,1);
}
}
});
});
//监听端口
server.listen(1883);

这是一个最基本的服务器端，消息的存储和查询都需要自己编程处理。

比如你如果需要用redis保存和触发数据，可参考这篇中文文章：node mqtt server (redis pub/sub)。

MQTT.js实现的客户端

代码：

var mqtt = require('mqtt');
client = mqtt.createClient(1883, 'localhost');
client.subscribe('testMessage');
client.publish('testMessage', '发布测试信息');
client.on('message', function (topic, message) {
console.log(message);
client.end();
});

写的很简易，订阅了主题，然后向相同主题发布消息，接收到消息后client停止。

使用Mosca

MQTT.js只是实现了最基础的MQTT协议部分，对于服务器端的处理需要自己完成。

有关MQTT.js是否实现了MQTT server，详细的说明，可参见MQTT Server: MQTT.js or Mosca?

正好，Mosca在MQTT基础上实现了这些，它可以：

作为独立运行的MQTT服务器运行
集成到nodejs程序里使用

安装很简单：

npm install mosca bunyan -g

作为独立服务器运行

运行：

mosca -v | bunyan

然后，还可以用我上文的客户端代码运行测试。

集成在自己程序中使用

我考虑的后端持久化，是用MongoDB。Mosca另外几个选项：

Redis，缺点是更注重作为缓存，而不适合可靠持久化
LevelUp，头一次听说，不打算做技术准备了，是用nodejs的包装起来的LevelDB
Memory，使用内存，估计默认的就是这个，不适合我使用的情况

首先要安装mosca的库：

npm install mosca

然后，在本机将mongodb运行起来，应该就可以执行下面的代码了：

var mosca = require('mosca')
var settings = {
port: 1883,
backend:{
type: 'mongo',
url: 'mongodb://localhost:27017/mqtt',
pubsubCollection: 'ascoltatori',
mongo: {}
},
persistence:{
factory: mosca.persistence.Mongo,
url: "mongodb://localhost:27017/mosca"
}
};
var server = new mosca.Server(settings);
server.on('ready', function(){
console.log('Mosca server is up and running'); 
});
server.on('published', function(packet, client) {
console.log('Published', packet.payload);
});

直接运行作者文档中的代码会在多次运行客户端后出现错误，我是参考了他2天前加上的示例代码。

作者Matteo Collina生活在意大利的博洛尼亚，写代码很勤奋，这个项目更新很快，是不是说明这个方向（mqtt）很活跃呢？

作者也写了个幻灯片，MQTT and Node.js

MQTT高级问题

keepalive和PING

从这篇文章MQTT协议笔记之连接和心跳：

心跳时间(Keep Alive timer)

以秒为单位，定义服务器端从客户端接收消息的最大时间间隔。一般应用服务会在业务层次检测客户端网络是否连接，不是TCP/IP协议层面的心跳机制(比如开启SOCKET的SO_KEEPALIVE选项)。一般来讲，在一个心跳间隔内，客户端发送一个PINGREQ消息到服务器，服务器返回PINGRESP消息，完成一次心跳交互，继而等待下一轮。若客户端没有收到心跳反馈，会关闭掉TCP/IP端口连接，离线。 16位两个字节，可看做一个无符号的short类型值。最大值，2^16-1 = 65535秒 = 18小时。最小值可以为0，表示客户端不断开。一般设为几分钟，比如微信心跳周期为300秒。

下面的代码中我设置的是10秒：

var mqtt = require('mqtt');
var settings = {
keepalive: 10,
protocolId: 'MQIsdp',
protocolVersion: 3,
clientId: 'client-b',
clean: false
}
client = mqtt.createClient(1883, 'localhost',settings);

可以使用MQTT.js编写简单的服务器代码，观察到服务器端接收到PING请求，并发回PING响应：

client.on('pingreq', function(packet) {
client.pingresp();
console.log('pingreq & resp');
});

完整代码上面已经贴过，另见Gist

QoS

QoS在MQTT中有（摘自MQ 遥测传输 (MQTT) V3.1 协议规范）：

“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。
“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。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

MQTT.js只是支持了MQTT协议，并没有支持QoS，也就是说，只支持最低级别的“至多一次”（QoS0）。

Mosca支持QoS0和1，但不支持2，见Add support QOS 2

接收离线消息

我在应用中的一个主要场景是，使用MQTT.js+Mosca做聊天服务器。

默认Mosca是不支持离线消息的，表现的现象是，如果是有人（client-a）先在主题上发布了消息：

var mqtt = require('mqtt');
var settings = {
keepalive: 10,
protocolId: 'MQIsdp',
protocolVersion: 3,
clientId: 'client-a'
}
client = mqtt.createClient(1883, 'localhost',settings);
client.publish('testMessage', '发布new测试信息0',{qos:1,retain: true});
client.publish('testMessage', '发布new测试信息1',{qos:1,retain: true});
client.publish('testMessage', '发布new测试信息2',{qos:1,retain: true});
client.publish('testMessage', '发布new测试信息3',{qos:1,retain: true});
setTimeout(function(){
client.end();
},1000);

那么另外一个人（client-b），随后订阅，仅能看到最后一条消息：

var mqtt = require('mqtt');
var settings = {
keepalive: 10,
protocolId: 'MQIsdp',
protocolVersion: 3,
clientId: 'client-b'
}
client = mqtt.createClient(1883, 'localhost',settings);
client.subscribe('testMessage',{qos:1},function(){
console.log('subscribe ok.');
});
client.on("message", function(topic, payload) {
console.log('message: '+payload);
});

运行结果类似这样：

subscribe ok.
message: 发布new测试信息3

离线消息，需要以下几点：

客户端订阅设置QoS=1
客户端连接属性clean: false，作用是断开连接重连的时候服务器端帮助恢复session，不需要再次订阅

用代码说明以下，先运行这段代码：

var mqtt = require('mqtt');
var settings = {
  keepalive: 10,
  protocolId: 'MQIsdp',
  protocolVersion: 3,
  clientId: 'client-b',
  clean: false
}
client = mqtt.createClient(1883, 'localhost',settings);
client.subscribe('testMessage',{qos:1},function(){
  console.log('subscribe ok.');
  client.end();
});

然后执行刚才发布多条消息的代码。再执行下面的代码：

var mqtt = require('mqtt');
var settings = {
  keepalive: 10,
  protocolId: 'MQIsdp',
  protocolVersion: 3,
  clientId: 'client-b',
  clean: false
}
client = mqtt.createClient(1883, 'localhost',settings);
client.on("message", function(topic, payload) {
  console.log('message: '+payload);
});

运行结果类似这样：

message: 发布new测试信息1
message: 发布new测试信息3
message: 发布new测试信息2
message: 发布new测试信息0

收到消息的顺序是乱的，为什么会这样，其实很好理解，为了小型受限设备以及网络不稳定的情况，消息是不好保证顺序的。

解决办法是发送的消息带时间戳，接收后再做排序。

另外，担心客户端没有做client.end()而非正常退出，那么再次连接是否能恢复session，测试了一下，注释client.end()，没有问题，正常收到多条离线消息。

SSL连接

Mosca支持SSL连接，可根据Nodejs TLS创建公钥私钥。

然后类似这样启动：

var mosca = require('mosca')
var SECURE_KEY = __dirname + '/../../test/secure/tls-key.pem';
var SECURE_CERT = __dirname + '/../../test/secure/tls-cert.pem';
var settings = {
port: 8443,
logger: {
name: "secureExample",
level: 40,
},
secure : {
keyPath: SECURE_KEY,
certPath: SECURE_CERT,
}
};
var server = new mosca.Server(settings);
server.on('ready', setup);
// fired when the mqtt server is ready
function setup() {
console.log('Mosca server is up and running')
}

这部分我没有测试，直接转自Mosca Encryption Support。

认证和授权

在Mosca Authentication提供了个简易的命令行，可创建账号用于认证并授权。

但是它不适合我的需求场景，我需要自己编写认证和授权的逻辑。

虽然在作者官方网站上未找到，但在问题管理记录中提交了这方面的支持：Authentication & Authorization。

有下面两条支持，应该可以写出自己的回调，并集成到Mosca中：

add a callback to authorize a publish.
add a callback to authorize a subscribe.

不过这块没有写代码，只是大致能确定。

性能问题

MQTT.js并不是完整解决方案，不需要考虑它的性能问题。

说一下Mosca，有一个这方面问题作者的答复，what about mosca’s performance，问问题的还是个中国人，我前面还引用了他的文章。作者基本意思是：

It basically depends on the RAM. On an AWS large instance it can reach 
10k concurrent connections, with roughly 10k messages/second.

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alafei