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物联网通信协议
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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。
MQTT Broker算是一个服务器中转站 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： 精简，不添加可有可无的功能发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递允许用户动态创建主题，零运维成本把传输量降到最低以提高传输效率把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内支持连续的会话控制理解客户端计算能力可能很低提供服务质量管理假设数据不可知，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： 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。 对负载内容屏蔽的消息传输。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。 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。 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。 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： 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)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： 发布其他客户端可能会订阅的信息订阅其它客户端发布的消息退订或删除应用程序的消息断开与服务器连接。 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： 接受来自客户的网络连接 接受客户发布的应用信息 处理来自客户端的订阅和退订请求 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, 的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： Connect。等待与服务器建立连接。disconnet. 等的MQT客户定完流所借的工作，并与服务都断开工CP/P会活。Subscribe。等待完成订阅。UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。 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，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restfulapi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。（即在接口设置发布mqtt的发布程序）**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。 MosquittoEclipse 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mosquitt_pub和mosquitto_sub命令行MQTT客户端。paho-mqtt就是实现MQTT客户端的python库。 unbutu上安装 apt install mosquitto 初步使用MQTT的python库paho-mqtt我们在上次课讲到的iotplus使,用MQTT的三个场景还是非常复杂的，在正式开发MQTT的功能之前，我们需要掌握MQTT的python软件库的使用。我们已经搭建MQTT服务器，这次课主要讲解paho-mqtt的使用。 安装 pip3 install paho-maqtt -imqtt_pub.py # python 3.6 import random import time from paho.mqtt import client as mqtt_client broker = 'broker.emqx.io' port = 1883 topic = "/python/mqtt" # generate client ID with pub prefix randomly client_id = f'python-mqtt-{random.randint(0, 1000)}' def connect_mqtt(): def on_connect(client, userdata, flags, rc): if rc == 0: print("Connected to MQTT Broker!") else: print("Failed to connect, return code %d\n", rc) client = mqtt_client.Client(client_id) client.on_connect = on_connect client.connect(broker, port) return client def publish(client): msg_count = 0 while True: time.sleep(1) msg = f"messages: {msg_count}" result = client.publish(topic, msg) # result: [0, 1] status = result[0] if status == 0: print(f"Send `{msg}` to topic `{topic}`") else: print(f"Failed to send message to topic {topic}") msg_count += 1 def run(): client = connect_mqtt() client.loop_start() publish(client) if __name__ == '__main__': run()mqtt_sub.py # python3.6 import random from paho.mqtt import client as mqtt_client broker = 'broker.emqx.io' port = 1883 topic = "/python/mqtt" # generate client ID with pub prefix randomly client_id = f'python-mqtt-{random.randint(0, 100)}' def connect_mqtt() -> mqtt_client: def on_connect(client, userdata, flags, rc): if rc == 0: print("Connected to MQTT Broker!") else: print("Failed to connect, return code %d\n", rc) client = mqtt_client.Client(client_id) client.on_connect = on_connect client.connect(broker, port) return client def subscribe(client: mqtt_client): def on_message(client, userdata, msg): print(f"Received `{msg.payload.decode()}` from `{msg.topic}` topic") client.subscribe(topic) client.on_message = on_message def run(): client = connect_mqtt() subscribe(client) client.loop_forever() if __name__ == '__main__': run() |
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