物联网MQTT协议分析和开源Mosquitto部署验证

2021-08-17 00:14:21

在《物联网核心协议—消息推送技术演进》一文中已向读者介绍了多种消息推送技术的情况，包括HTTP单向通信、Ajax轮询、Websocket、MQTT、CoAP等，其中MQTT协议为IBM制定并力推，其具有开放、简单、轻量级以及易于实现的特点使得其即便在资源受限的环境中也能得到很好的使用，比如运行在资源紧缺型的嵌入式系统中或网络带宽非常昂贵的环境中，除此之外，它也被广泛用于遥感勘测、智能家居、能源监测和医疗应用程序等各个领域，是物联网的重要组成部分，将来可能会成为物联网的事实标准。

本篇文章将帮助读者认识MQTT协议以及在Linux环境下部署MQTT的开源实现Mosquitto进行体验验证，在后续文章中将展开对其源码框架的分析，为构建物联网平台做好铺垫。

一、MQTT协议分析

1.1、MQTT协议简介

MQTT（MessageQueueing Telemetry Transport Protocol）的全称是消息队列遥感传输协议的缩写，是由IBM公司推出的一种基于轻量级代理的发布/订阅模式的消息传输协议，运行在TCP协议栈之上，为其提供有序、可靠、双向连接的网络连接保证。由于其开放、简单和易于实现所以能够应用在资源受限的环境中，对于M2M和物联网应用程序来说是一个相当不错的选择。

1.2、发布者/订阅者

MQTT采用代理的发布/订阅模式实现了发布者和订阅者的解耦(decouple)，因此，在MQTT协议中有三种角色：代理服务器、发布者客户端以及订阅者客户端，其中发布者和订阅者互不干扰，也就是说发布者和订阅者互不知道对方的存在，它们只知道代理服务器，代理服务器负责将来自发布者的消息进行存储处理并将这些消息发送到正确的订阅者中去。这种解耦体现在以下3个方面上：

·空间解耦：发布者和订阅者不必知道对方的存在，例如对方的IP地址或者端口；

·时间解耦：发布者和订阅者不必同时建立连接；

·同步解耦：发布者和订阅者在发布消息或接收消息的时候不需要同步；

1.3、MQTT的消息类型

MQTT的三种角色通过14种不同的消息类型进行交互：

1.CONNECT控制报文用于客户端请求与服务器建立连接，应用层的连接而不是TCP/IP连接，CONNECT控制报文的发送在TCP/IP建立连接后；

2.CONNACK控制报文用于服务器向请求连接的客户端回发连接确认；

3.PUBLISH控制报文用于发布指定主题名的应用信息；

4.PUBACK/PUBREC/PUBREL/PUBCOMP控制报文用于针对不同服务质量的应用信息的回应；

5.SUBSCRIBE控制报文用于订阅者向服务器发送一个主题过滤器列表，用于表示客户端想要订阅的主题；

6.SUBACK控制报文用于SUBSCRIBE控制报文的响应；

7.UNSUBSCRIBE控制报文用于向服务器发送一个主题过滤器列表，用于表示客户端想要取消订阅的主题；

8.UNSUBACK控制报文用于UNSUBSCRIBE控制报文的响应；

9.PINGREQ/PINGRESP控制报文作为客户端和服务器间的心跳包；

10.DISCONNECT控制报文用于客户端在断开前告诉服务器其将断开连接；

1.4、主题(topic)

使用主题是服务器为每一个客户端管理应用信息所采用的一种方式，一个主题名可以由多个主题层级(topic level)组成，每一层通过’/’斜杠分隔开，当客户端指定的主题过滤器包含通配符时，即客户端想一次订阅多个具有类似结构的主题时，主题层级分隔符就很有用了。

主题通配符只可用在主题过滤器中，在发布应用消息时的主题名不允许包含通配符，主题通配符有两种：

单层通配符：’+’，它会匹配某一个主题层级中的所有主题；

多层通配符：’#’，它会匹配多个主题主题层级的主题；

例如：如果客户端订阅时的主题过滤器为”grade/subject/math/#”，它会收到使用下列主题名发布的消息：

“grade/subject/math”

“grade/subject/math/student1”

“grade/subject/math/student1/lastterm”

1.5、服务质量等级(QosLevels)

MQTT提供三种Qos的消息传递质量：

a.最多一次(Atmost once delivery)：QoS=0，协议对此等级应用信息不要求回应确认，也没有重发机制，这类信息可能会发生消息丢失或重复，取决于TCP/IP提供的尽最大努力交互的数据包服务。

b.最少一次(Atleast once delivery)：QoS=1，确保信息到达，但消息重复可能发生，发送者如果在指定时间内没有收到PUBACK控制报文，应用信息会被重新发送，且控制报文中DUP标志位置1。

c.仅仅一次(Exactlyonce delivery)：QoS=2，*别的服务质量，消息丢失和重复都是不可接受的。

1.6、支持MQTT协议的服务器和客户端

当前流行的开源代理服务器(MQTT Broker)的实现有：mosquitto, HiveMQ, Apache ActiveMQ, RabbitMQ, mosca等，MQTT客户端也有不同操作系统和编程语言下的实现，流行的客户端库(MQTT ClientLibraries)有：Eclipse Paho(支持C,C++, Java, JavaScript, Python, Go, C#), M2MQTT(C#), Fusesource MQTTClient(Java), MQTT.js(javascript), libmosquitto(c/c++)等等，通过以上库而开发出的MQTT客户端应用程序有：mosquitto_pub/mosquitto_sub(可运行于Linux, Windows, MacOSX操作系统), HiveMQWebsocket Client(Web browser), MyMQTT(Android), MQTTLens(Google Chrome)等等。

二、Mosquitto部署验证

2.1、Ubuntu下安装Mosquitto

1.源码包下载：http://mosquitto.org/files/source/