物联网MQTT协议分析和开源Mosquitto部署验证

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状况，包括HTTP单向通讯、Ajax轮询、Websocket、MQTT、CoAP等，其中MQTT协议为IBM制定并力推，其具备开放、简单、轻量级以及易于实现的特色使得其即使在资源受限的环境中也能获得很好的使用，好比运行在资源紧缺型的嵌入式系统中或网络带宽很是昂贵的环境中，除此以外，它也被普遍用于遥感勘测、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，未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，为构建物联网平台作好铺垫。

1、MQTT协议分析

1.一、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、双向链接的网络链接保证。因为其开放、简单和易于实现因此可以应用在资源受限的环境中，对于M2M和物联网应用程序来讲是一个至关不错的选择。 

1.二、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)，所以，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，代理服务器负责未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。这种解耦体如今如下3个方面上：

·空间解耦：发布者和订阅者没必要知道对方的存在，例如对方的IP地址或者端口；

·时间解耦：发布者和订阅者没必要同时创建链接；

·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须要同步；

 

 

1.三、MQTT的消息类型

MQTT的三种角色经过14种不一样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创建链接，应用层的链接而不是TCP/IP链接，CONNECT控制报文的发送在TCP/IP创建链接后；

2.CONNACK控制报文用于服务器向请求链接的客户端回发链接确认；

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一样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控制报文做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链接；

 

1.四、主题(topic)

使用主题是服务器为每个客户端管理应用信息所采用的一种方式，一个主题名能够由多个主题层级(topic level)组成，每一层经过’/’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备相似结构的主题时，主题层级分隔符就颇有用了。

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容许包含通配符，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全部主题；

多层通配符：’#’，它会匹配多个主题主题层级的主题；

例如：若是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”

1.五、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，发送者若是在指定时间内没有收到PUBACK控制报文，应用信息会被从新发送，且控制报文中DUP标志位置1。

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

 

 

1.六、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客户端也有不一样操做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，经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操做系统), HiveMQWebsocket Client(Web browser), MyMQTT(Android), MQTTLens(Google Chrome)等等。

 

2、Mosquitto部署验证

2.一、Ubuntu下安装Mosquitto

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

版本：mosquitto-1.4.tar.gz

解压：tar -zxvf mosquitto-1.4.tar.gz

进入目录：cd mosquitto-1.4

 

2.编译安装

打开配置文件，去掉暂且不须要的功能：

vi config.mk

如：WITH_TLS,WITH_TLS_PSK, WITH_SRV, WITH_WEBSOCKETS, WITH_SOCKS, WITH_UUID等

保存退出：wq

安装mosquitto

make

make install

 

2.二、启动mosquitto服务器

mosquitto默认以mosquitto用户启动，因此首先建立mosquitto用户：

adduser mosquitto

启动代理服务器：mosquitto -c/etc/mosquitto/mosquitto.conf.example

在启动服务器过程当中有可能遇到如下错误：找不到libmosquitto.so.1文件，解决方法是添加连接库路径：

vi/etc/ld.so.conf.d/liblocal.conf

/usr/local/lib64

/usr/local/lib

退出文件后刷新：ldconfig

从新执行：mosquitto -c /etc/mosquitto/mosquitto.conf.example

 

2.三、启动订阅者客户端mosquitto_sub，订阅test主题

mosquitto_sub客户端应用程序位于/mosquitto-1.4/client目录下，执行./mosquitto_sub-t test, -t表示主题过滤器属性，后面带指定的主题过滤器。

 

2.四、启动发布者客户端mosquitto_pub，而且屡次发布主题信息

./mosquitto_pub-t test -l

其中-t表示发布的主题名，主题名中不容许包含通配符，-l是指经过标准输入的方式输入将要发布的应用信息，更多的属性可经过:./mosquiito_pub --help了解，也可经过官网了解：

http://mosquitto.org/man/mosquitto_pub-1.html。

 

 

发布者发布应用信息：

 

 

2.五、发布者经过键入”Ctrl+D”向服务器发送DISCONNECT控制报文，而后正常退出

若是经过”Ctrl+C”终止客户端程序(异常网络断开)，服务器将提示：Scoket error

 

 

本篇文章初步讲述了MQTT协议及以其中的一种实现为例进行部署和体验，协议的详细具体内容如控制报文格式等，读者可自行到官网下载文档查阅，也能够关注嵌入式企鹅圈来获取共享资源。