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MQTT 协议快速体验

作者:EMQ映云科技
  • 2023-02-13
    云南
  • 本文字数:3278 字

    阅读完需:约 11 分钟

MQTT协议快速体验

全球物联网正在高速发展,专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计的 MQTT 协议也因此得到广泛应用。

MQTT 是一种基于发布/订阅模式轻量级消息传输协议,具有简单易实现、支持 QoS、报文小等特点,非常适用于工业互联网、车联网、智能硬件、电力能源等领域。

本文将通过讲解与演示向读者展示 MQTT 协议的入门使用流程,物联网及 MQTT 初学者可以通过本文以更简单的方式理解 MQTT 相关概念,快速开始 MQTT 服务及应用的开发。

MQTT 连接

 

在使用 MQTT 协议进行通信之前,需要先建立一个 MQTT 连接,连接由客户端向服务器端发起。

MQTT 客户端

 

任何运行了 MQTT 客户端库的程序或设备都是一个 MQTT 客户端,例如:使用了 MQTT 的即时通讯 APP 是一个客户端,使用 MQTT 上报数据的各种传感器设备是一个客户端,以及各种 MQTT 测试工具也是一个客户端。

目前,基本所有的编程语言都有成熟的开源 MQTT 客户端库,读者可参考 EMQ 整理的 MQTT 客户端库大全选择一个合适的客户端库来构建满足自身业务需求的 MQTT 客户端。也可直接访问 EMQ 提供的 MQTT 客户端编程系列博客,学习如何在 Java、Python、PHP、Node.js 等编程语言中使用 MQTT。

本次演示我们将使用由 MQTT X 提供的支持浏览器访问的在线 MQTT 客户端。MQTT X 是目前开源客户端中 GitHub Star 数最多的,它同时也提供了桌面客户端与命令行客户端。

MQTT 服务器

 

MQTT 服务器负责接收客户端发起的连接,并将客户端发送的消息转发到另外一些符合条件的客户端。一个成熟的 MQTT 服务器可支持海量的客户端连接及百万级的消息吞吐,帮助物联网业务提供商专注于业务功能并快速创建一个可靠的 MQTT 应用。

MQTT 服务器一般有私有部署、全托管云服务、公共在线三种形式。

私有部署需要自行搭建与维护服务器,适合接入量较大、且有技术团队支持的公司。

  • 读者若是希望搭建私有 MQTT 服务器进行测试,可运行如下 Docker 命令使用 EMQX 开源版。

dockerrun-d--nameemqx-p1883:1883-p8083:8083-p8084:8084-p8883:8883-p18083:18083emqx/emqx
复制代码
  • 全托管云服务免除了企业维护基础设施的负担,简单几步就能轻松开启 MQTT 服务。如下图,EMQX Cloud 支持按连接创建 MQTT 服务,且可选择部署在多个云平台。



 公共的在线服务器一般由各个 MQTT 服务器的所属商业公司所提供,主要用来做 MQTT 流程测试。

本次演示我们将使用由 EMQ 提供的公共 MQTT 服务器,该服务器基于全托管的 MQTT 云服务-EMQX Cloud 创建,服务器信息如下:

  • Broker: broker.emqx.io

  • TCP Port: 1883

  • Websocket Port: 8083

发布与订阅

 

连接成功后,客户端就能进行消息的收发,在消息收发前我们需要先理解发布/订阅模式。

发布/订阅模式

 

发布订阅模式区别于传统的客户端-服务器模式,它使发送消息的客户端(发布者)与接收消息的客户端(订阅者)分离,发布者与订阅者不需要建立直接联系。我们既可以让多个发布者向一个订阅者发布消息,也可以让多个订阅者同时接收一个发布者的消息,它的精髓在于由一个被称为代理(MQTT 服务器)的中间角色负责所有消息路由和分发的工作。

下图为 MQTT 的发布/订阅流程:温度传感器作为一个客户端连接至 MQTT 服务器后,即可向某个主题(比如 Temperature)发布温度消息,服务器收到该消息后会将消息转发至订阅了 Temperature 主题的客户端(比如下图的手机、浏览器等应用)。



主题(Topic)

 

MQTT 协议基于主题进行消息路由,主题类似 URL 路径,例如:

chat/room/1sensor/10/temperaturesensor/+/temperature
复制代码

主题通过 / 分割层级,支持 +, # 通配符:

  • +:表示通配一个层级,例如 a/+ 匹配 a/x, a/y

  • #:表示通配多个层级,例如 a/# 匹配 a/x,a/b/c/d

消息服务质量(QoS)

 

MQTT 协议提供了 3 种消息服务质量等级(Quality of Service),它保证了在不同的网络环境下消息传递的可靠性。

  • QoS 0:消息最多传递一次。

如果当时客户端不可用,则会丢失该消息。发布者发送一条消息之后,就不再关心它有没有发送到对方,也不设置任何重发机制。

  • QoS 1:消息传递至少 1 次。

包含了简单的重发机制,发布者发送消息之后等待接收者的 ACK,如果没收到 ACK 则重新发送消息。这种模式能保证消息至少能到达一次,但无法保证消息重复。

  • QoS 2:消息仅传送一次。

设计了重发和重复消息发现机制,保证消息到达对方并且严格只到达一次。

订阅主题

接下来我们模拟温度传感器场景,在之前创建的 Simple Demo 连接里订阅所有的温度传感器上报的温度数据,即订阅通配符主题 sensor/+/temperature。

如下图,点击按钮 New Subscription,在弹出框的 Topic 下面输入主题 sensor/+/temperature,QoS 保持默认 0 不变。

Color 字段可修改订阅标签的颜色,Alias 字段可修改订阅主题的显示名称。这两个字段为该在线客户端特有,使用代码连接时无此参数。

订阅成功后即可看到中间的订阅列表里多了一条记录。

发布消息

接下来我们点击最左侧的 + 按钮分别创建 Sensor 1 和 Sensor 2 两个连接,模拟两个温度传感器。

连接创建好后如下图所示,将会看到 3 个连接,并且连接左侧的在线状态圆点都为绿色(绿色说明连接成功)。

选中 Sensor 1 连接,在页面右下部分输入发布主题 sensor/1/temperature,消息框内输入如下 JSON 格式消息,并点击右侧最底部的发布按钮发送消息。

{
"msg":"17.2"
}
复制代码


如下表示消息发送成功。

使用同样的步骤,在 Sensor 2 连接里向 sensor/2/temperature 主题发布如下 JSON 消息。

{
"msg":"18.2"
}
复制代码


将会看到 Simple Demo 连接收到 2 条新消息。

点击 Simple Demo 连接,将会看到两个传感器发送的两条消息。

MQTT 重要特性演示

保留消息(Retained Message)

MQTT 客户端向服务器发布消息时,可以设置保留消息标志。一个主题下最新一条保留消息会驻留在消息服务器,后来的订阅者订阅主题时仍可以接收该消息。

如下图,我们在 Sensor 1 连接里向 retained_message 主题发送两条不一样的消息,且发送消息时勾选 Retain 选项。

然后,我们再在 Simple Demo 连接里订阅 retained_message 主题,订阅成功后将会收到 Sensor 1 发送的第二条保留消息,由此可见服务器只会保存一个主题下最后一条保留消息。

清除会话(Clean Session)

一般情况下 MQTT 客户端仅能接收到在线时其他客户端发布的消息,如果客户端离线再上线后将收不到离线期间的消息。但是当客户端使用固定的 Client ID,且连接参数 Clean Session 为 false 时,客户端离线后消息服务器可以为客户端保持一定量的离线消息,并在客户端再次上线后发送给客户端(且为客户端恢复下线前的订阅信息)。

本次演示使用的公共 MQTT 服务器设置的离线消息保存时间为 5 分钟,最大消息数为 1000 条,且不保存 QoS 0 消息。接下来我们创建一个 MQTT 3.1.1 版本的连接,并验证 QoS 1 情况下的离线会话。

MQTT5 中使用 CleanStart 与 SessionExpiryInterval 改进了 Clean Session。

如下图,创建一个名为 MQTT V3 的连接,Clean Session 设置为 false,MQTT 版本选择 3.1.1。

连接成功后订阅 clean_session_false 主题,且 QoS 设置为 1。

订阅成功后,点击右上角的断开连接按钮。

接下来创建一个名为 MQTT_V3_Publish 的连接,MQTT 版本同样设置为 3.1.1,连接成功后向 clean_session_false 主题发布三条消息。

然后选中 MQTT_V3 连接,点击连接按钮连接至服务器,将会成功接收到 3 条离线期间的消息。

遗嘱消息(Last Will)

MQTT 客户端向服务器发起连接请求时,可以设置是否发送遗嘱消息(Will Message)标志,和遗嘱消息主题(Topic)与内容(Payload)。设置了遗嘱消息消息的 MQTT 客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送 DISCONNECT 消息),MQTT 消息服务器会发布该客户端设置的遗嘱消息。

如下图,我们创建一个名为 Last Will 的连接。

为了能快速看到效果,我们设置 Keep Alive 为 5 秒

  • Last-Will Topic 设置为 last_will

  • Last-Will QoS 设置为 1

  • Last-Will Retain 设置为 true

  • Last-Will Payload 设置为 offline

连接成功后,我们断开电脑网络 5 秒钟以上(模拟客户端异常下线),再打开网络。然后启动 Simple Demo 连接,并订阅 last_will 主题,将会收到 Last Will 连接设置的遗嘱消息。


至此,我们完成了对 MQTT 相关基础概念及其使用流程的讲解与演示,读者可以根据本文所学尝试上手使用 MQTT 协议,开始 MQTT 应用及服务开发,探索 MQTT 的更多高级应用。

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