MQTT协议与mosquitto的安装使用

Posted 2023-02-04 写了程序换酒钱

MQTT （Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输） 是一种标准化的发布/订阅消息传输协议。它是一种非常轻量级的协议，由于对带宽需求很低，从而成为了 M2M 通信或物联网应用的理想选择，现在已经成为这类场景最常见的协议之一。

发布/订阅

发布订阅模式比轮询的效率高很多。发布订阅是MQTT协议的核心，除了基于同一个消息代理的发布者和订阅者之外，还有一些其它节点围绕着该消息代理呈星型拓扑分布。这个模型与标准的客户端/服务器迥然不同，一开始看似有些奇怪，但它提供的去耦能力在很多情况下都有巨大的优势。

客户端可以发布或订阅特定的主题（topic，有些类似信息主题），根据使用它们的消息代理来决定谁会收到信息。MQTT 的主题有特定的语法，使用斜杠（/）作为分隔符，整体呈层次结构，非常类似 URL 中的路径格式，因此厨房中的温度传感器也许会发布到类似sensors/temperature/home/kitchen 这样的主题。

我们看一个例子：想象一下有一个网络，将全世界的温度传感器连接起来，提供气象服务。所有这些传感器保持与某个消息代理中间件相连接，每隔10分钟报告一次当前的温度。他们基于自身位置按照下面的格式向特定主题发布信息：

sensors/temperature/country/city/street name

那么在伦敦贝克街（Baker Street）的某个传感器就会向“sensors/temperature/uk/london/baker_street”发布一条包含当前温度的信息。

气象服务需要保证历史温度数据库的数据最新，因此创建了订阅到 MQTT主题的数据库服务，数据库服务会在收到最新温度信息时发出提示。不过这里存在一个问题：数据库服务需要了解到全世界所有的温度传感器，而将每个传感器订阅到独立的主题会非常复杂，幸好 MQTT 有相应的解决方案：通配符（wildcards）。

通配符

在 MQTT 中有两个可用的通配符，分别是+和#，+表示匹配单一层级中的任意主题，#表示匹配任意数量的层次。因此在全球温度数据库中可能会有订阅到 sensors/temperature/# 的服务，它能从全世界的任何一个传感器接收温度读数。但如果英国政府想要在自己的温度服务中利用这些数据，只要订阅到 sensors/temperature/uk/# ，就可以限制范围，只接受英国的传感器读数。如果某个服务想要接收某个特定位置所有类型的传感器数据，可以使用类似这样的格式：

sensors/+/uk/london/bakerstreet_

正如你所见，这是一个极优秀的模块化系统，添加新的传感器与数据库只是小事一桩。而且该系统在性能方面也很优秀，MQTT 消息代理可以高度并行化并采用事件驱动，从而使得单个消息代理可以轻易扩展到每秒处理数万条信息的级别。

服务质量（QoS）

MQTT 的设计初衷是为了在不可靠的网络中运作良好，为不同的场景提供了三个级别的服务质量，允许客户端指定自己想要的可靠性级别。

QoS Level 0：至多一次

这是最简单的级别，无需客户端确认，其可靠性与基础网络层 TCP/IP 一致。

QoS Level 1：至少一次，有可能重复

确保至少向客户端发送一次信息，不过也可发送多次；在接收数据包时，需要客户端返回确认消息（ACK 包）。这种方式常用于传递确保交付的信息，但开发人员必须确保其系统可以处理重复的数据包。

QoS Level 2：只有一次，确保消息只到达一次

这是最不常见的服务质量级别，确保消息发送且仅发送一次。这种方法需要交换4个数据包，同时也会降低消息代理的性能。由于相对比较复杂，在 MQTT 实现中通常会忽略这个级别，请确保在选择数据库或消息代理前检查这个问题。

“临终遗嘱”信息

该协议提供了检测方式，利用KeepAlive机制在客户端异常断开时发现问题。因此当客户端电量耗尽、崩溃或者网络断开时，消息代理会采取相应措施。

客户端会向任意点的消息代理发送“临终遗嘱”（LWT）信息，当消息代理检测到客户端离线（连接并未关闭），就会发送保存在特定主题上的 LWT 信息，让其它客户端知道该节点已经意外离线。

安全性

MQTT（及通常的物联网设备）的安全性是一个相当大的主题，之后我们会详加描述，不过在本文中仅涉及两个主要的安全性功能：身份验证与加密。

身份验证是通过在 MQTT 连接包中发送用户名与密码来实现，几乎所有消息代理与客户端在实现时都支持这一功能。但由于信息太容易被拦截，为了避免，应当尽可能地使用安全传输层协议（TLS）。

协议本身未提供加密功能，但由于 MQTT 是在 TCP 上层运行的，我们可以很容易地利用 TLS 来提供加密连接。但这确实增加了发送与接收信息的计算复杂性，不但在约束系统中会造成问题，还会影响消息代理的性能。稍后我们会就这个问题进行更多讨论。

消息代理软件

有许多不同方式实现的可用消息代理，最常见的系统包括：
- Mosquitto —— 这是最早在生产环境中可用的消息代理之一，以 C 语言编写，提供多种配置与高性能。
- Mosca —— 以 Node.js 编写，可嵌入 Node 应用或以独立可执行文件的形式运行。由于配置简单并具有可扩展性，它也是我们最喜欢的消息代理，具有高性能的优点。
- RSMB —— IBM 对 MQTT 协议的实现，也是最不常用的选项之一，不过它是一个用C语言编写的成熟系统。
- HiveMQ —— HiveMQ 是一种相对较新的消息代理，面向企业环境，在博客上有很多关于 MQTT 不错的信息。

Mosquitto安装和使用

Mosquitto目前的最新版本为1.4.9。
安装编译的依赖库

sudo apt-get install libssl-dev
sudo apt-get install libc-ares-dev
sudo apt-get install uuid-dev

源码下载
wget http://mosquitto.org/files/source/mosquitto-1.4.9.tar.gz
解压
tar zxfv mosquitto-1.4.9.tar.gz
进入目录
cd mosquitto-1.4.9
编译
make -j4
安装
sudo make install

简单测试一下
一个完整的MQTT示例包括一个代理器，一个发布者和一个订阅者。测试分为以下几个步骤：

1. 启动服务mosquitto。
2. 订阅者通过mosquitto_sub订阅指定主题的消息。
3. 发布者通过mosquitto_pub发布指定主题的消息。
4. 代理服务器把该主题的消息推送到订阅者。

测试时在同一机器上。
a.启动代理服务
mosquitto -v
【-v】打印更多的调试信息

b.订阅主题
mosquitto_sub -v -t sensor
【-t】指定主题，此处为sensor
【-v】打印更多的调试信息

c.发布内容
mosquitto_pub -t sensor -m 13
【-t】指定主题
【-m】指定消息内容

在测试的过程中，如果出现error while loading shared libraries: libmosquitto.so.1: cannot open shared object file: No such file or directory的错误。
执行下面的命令

sudo ldconfig

如果还是出现则在执行sudo ldconfig之前执行

sudo ln -s /usr/local/lib/libmosquitto.so.1 /usr/lib/libmosquitto.so.1

运行信息

zhou@zhou-K42JE:~$ mosquitto -v
1465620993: mosquitto version 1.4.9 (build date 2016-06-11 11:42:07+0800) starting
1465620993: Using default config.
1465620993: Opening ipv4 listen socket on port 1883.
1465620993: Opening ipv6 listen socket on port 1883.
#代理服务运行

1465620993: New connection from 127.0.0.1 on port 1883.
1465620993: New client connected from 127.0.0.1 as mosqsub/11776-zhou-K42J (c1, k60).
1465620993: Sending CONNACK to mosqsub/11776-zhou-K42J (0, 0)
1465620993: Received SUBSCRIBE from mosqsub/11776-zhou-K42J
1465620993:     sensor (QoS 0)
1465620993: mosqsub/11776-zhou-K42J 0 sensor
1465620993: Sending SUBACK to mosqsub/11776-zhou-K42J
#一个订阅者连接到代理服务

1465621005: New connection from 127.0.0.1 on port 1883.
1465621005: New client connected from 127.0.0.1 as mosqpub/12021-zhou-K42J (c1, k60).
1465621005: Sending CONNACK to mosqpub/12021-zhou-K42J (0, 0)
#发布者连接到代理服务
1465621005: Received PUBLISH from mosqpub/12021-zhou-K42J (d0, q0, r0, m0, 'sensor', ... (2 bytes))
#代理服务接受到发布者的消息
1465621005: Sending PUBLISH to mosqsub/11776-zhou-K42J (d0, q0, r0, m0, 'sensor', ... (2 bytes))
#代理者将发布者发布的主题信息发送给订阅了这个主题的订阅者
1465621005: Received DISCONNECT from mosqpub/12021-zhou-K42J
1465621005: Client mosqpub/12021-zhou-K42J disconnected.
#发布者与代理服务断开连接

开始为代理启动在本地的1883端口，然后新的连接，是一个订阅者。然后一个发布者发布一条消息，然后代理将信息发送给订阅者。

参考资料

1. 实用简介：MQTT协议及其在物联网中的应用
2. MQTT学习笔记——MQTT协议体验 Mosquitto安装和使用