Linux编程MQTT实现主题发布订阅

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目录

物联网从云到端实战开发

参考:【物联网云端项目实战】物联网从云到端实战开发(附课程资料&项目源码)
地址:https://www.bilibili.com/video/BV1hf4y1b731?p=10&spm_id_from=pageDriver

实现功能技术介绍

​ 物联网通信技术流程图

​ 上图中的物联网通信环境包括以太网、Wi-Fi、RFID、NFC、ZigBee、6LoWPAN,蓝牙、GSM、GPRS、3G、4G等。

​ 每种通信的应用协议都有到一定的适用范围,AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太网,COAP协议是专门为资源受限设备开发的协议,而DDS和MQTT兼容性是最强的,下面逐一介绍各类通信协议的特点。

REST/HTTP

适用范围:

  • REST/HTTP主要为了简化互联网中的系统架构,快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合,降低了客户端和服务器之间的交互延迟。因此适合在物联网的应用层面,通过REST开放物联网中资源,实现服务被其他应用所调用。

特点:

  • REST 指的是一组架构约束条件和原则。

  • 客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的。

  • 在服务器端,应用程序状态和功能可以分为各种资源,它向客户端公开,每个资源都使用 URI 得到一个唯一的地址。所有资源都共享统一的界面,以便在客户端和服务器之间传输状态。

  • 使用的是标准的 HTTP 方法,比如:GET、PUT、POST 和 DELETE。

  • REST/HTTP其实是互联网中服务调用API封装风格,物联网中数据采集到物联网应用系统中,在物联网应用系统中,可以通过开放REST API的方式,把数据服务开放出去,被互联网中其他应用所调用。

CoAP(Constrained Application Protocol)

适用范围:

​ CoAP是简化了HTTP协议的RESTful API,CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议,它适用于在资源受限的通信的IP网络。

特点:

  • 报头压缩:CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4Bit的基本报头,基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10~20Bit。

  • 方法和URIs:为了实现客户端访问服务器上的资源,CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP还支持URIs,这是Web架构的主要特点。

  • 传输层使用UDP协议:CoAP协议是建立在UDP协议之上,以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。

  • 支持资源发现:为了自主的发现和使用资源,它支持内置的资源发现格式,用于发现设备上的资源列表,或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持RFC5785中的格式,在CoRE中用/.well—known/core的路径表示资源描述。

  • 支持缓存:CoAP协议支持资源描述的缓存以优化其性能。

CoAP和6LowPan,这分别是应用层协议和网络适配层协议,其目标是解决设备直接连接到IP网络,也就是IP技术应用到设备之间、互联网与设备之间的通信需求。因为IPV6技术带来巨大寻址空间,不光解决了未来巨量设备和资源的标识问题,互联网上应用可以直接访问支持IPV6的设备,而不需要额外的网关。

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )

适用范围:

​ 在低带宽、不可靠的网络下提供基于云平台的远程设备的数据传输和监控。

​ MQTT协议一般适用于设备数据采集到端(Device-》Server,Device-》Gateway),集中星型网络架构(hub-and-spoke),不适用设备与设备之间通信,设备控制能力弱,另外实时性较差,一般都在秒级。

特点:

  • 使用基于代理的发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布
  • 使用 TCP/IP 提供网络连接
  • 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
  • 支持QoS,有三种消息发布服务质量:“至多一次”, “至少一次”, “只有一次”

DDS协议(Data Distribution Service for Real-Time Systems)

适用范围:

分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。目前DDS已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域。

特点:

  • 以数据为中心

  • 使用无代理的发布/订阅消息模式,点对点、点对多、多对多

  • 提供多大21种QoS服务质量策略

协议主要实现:

  • OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现
  • OpenSplice DDS

DDS很好地支持设备之间的数据分发和设备控制,设备和云端的数据传输,同时DDS的数据分发的实时效率非常高,能做到秒级内同时分发百万条消息到众多设备。DDS在服务质量(QoS)上提供非常多的保障途径,这也是它适用于国防军事、工业控制这些高可靠性、可安全性应用领域的原因。但这些应用都工作在有线网络下,在无线网络,特别是资源受限的情况下,没有见到过实施案例。

AMQP协议(互操作性)

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol),先进消息队列协议,用于业务系统例如PLM,ERP,MES等进行数据交换。

适用范围:

最早应用于金融系统之间的交易消息传递,在物联网应用中,主要适用于移动手持设备与后台数据中心的通信和分析。

特点:

  • Wire级的协议,它描述了在网络上传输的数据的格式,以字节为流

  • 面向消息、队列、路由(包括点对点和发布/订阅)、可靠性、安全

协议实现:

· Erlang中的实现有 RabbitMQ

· AMQP的开源实现,用C语言编写OpenAMQ

· Apache Qpid

· stormMQ

XMPP协议(即时通信)

​ XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)可扩展通讯和表示协议,一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。

适用范围:

即时通信的应用程序,还能用在网络管理、游戏、远端系统监控等。

特点:

  • 客户机/服务器通信模式

  • 分布式网络

  • 简单的客户端,将大多数工作放在服务器端进行

  • 标准通用标记语言的子集XML的数据格式

XMPP是基于XML的协议,由于其开放性和易用性,在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP,XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的,开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程,相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。

JMS

JMS (Java Message Service),即消息服务,这是JAVA平台中著名的消息队列协议。

Java消息服务应用程序接口,是一个Java平台中关于面向消息中间件(MOM)的API,用于在两个应用程序之间,或分布式系统中发送消息,进行异步通信。Java消息服务是一个与具体平台无关的API,绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持。

JMS是一种与厂商无关的 API,用来访问消息收发系统消息,它类似于JDBC(Java Database Connectivity)。这里,JDBC 是可以用来访问许多不同关系数据库的 API,而 JMS 则提供同样与厂商无关的访问方法,以访问消息收发服务。许多厂商都支持 JMS,包括 IBM 的 MQSeries、BEA的 Weblogic JMS service和 Progress 的 SonicMQ。 JMS 能够通过消息收发服务(有时称为消息中介程序或路由器)从一个 JMS 客户机向另一个 JMS客户机发送消息。消息是 JMS 中的一种类型对象,由两部分组成:报头和消息主体。报头由路由信息以及有关该消息的元数据组成。消息主体则携带着应用程序的数据或有效负载。根据有效负载的类型来划分,可以将消息分为几种类型,它们分别携带:简单文本(TextMessage)、可序列化的对象 (ObjectMessage)、属性集合 (MapMessage)、字节流 (BytesMessage)、原始值流 (StreamMessage),还有无有效负载的消息 (Message)。

基础宏观设计框架搭建

​ 从宏观到围观,掌握全局设计及技术筛选和代码实现,同时体验面向对象的思维理念,先整体后局部,物联网通信技术多数采用MQTT的通信方式,同时MQTT服务器又提供了多种的服务插件,在整体交互过程中,MQTT通信协议将被作为中心点进行延申对接其他服务,如数据库,WEB。。。。

1、整体简易框架示意图:

2、终端框架示意图

3、MQTT服务框架

4、数据库框架示意图

5、WEB框架示意图

基础环境搭建

开发主机:win10_64位操作系统、16G内存、CPU 4Ghz x 8

开发环境:Vmware16、Ubuntu20.04

开发工具:VsCode、Pycharm、git

镜像下载:http://releases.ubuntu.com/20.04/

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