一文读懂物联网的灵魂MQTT

Posted 2023-04-24

参考技术A 名词释义：

MQTT——Message Queuing Telemetry Transport消息队列遥测传输

PUB——Publish发布

QoS——Quality of Service服务质量

LWT——Last Will & Testament最后遗嘱

MQTT简介

3.2 通配符

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。

3.3 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。

3.3.1 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。

3.3.2 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。

3.3.3 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。

3.4 “临终遗嘱”信息

MQTT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。

3.5保留消息 Retained Messages

1个Topic只有唯一的retain消息，Broker会保存每个Topic的最后一条retain消息。

一文读懂物联网 MQTT 协议之实战篇

一、前言

上一篇我们介绍了 MQTT 协议格式以及相关的特性：一文读懂物联网 MQTT 协议之基础特性篇，这一篇我们就来实战一番，理论得与实践结合，方能吃透 MQTT。

我的那个读者还提到了讲一下 Mosquitto，这是一款开源消息代理软件，提供轻量级的，支持可发布/可订阅的的消息推送模式，使设备对设备之间的短消息通信变得简单，比如现在应用广泛的低功耗传感器，手机、嵌入式计算机、微型控制器等移动设备。

老周这就来带大家在 CentOS 上搭建 Mosquitto 服务器。

二、搭建准备

Mosquitto 安装版本：Mosquitto1.4.4
Mosquitto 各版本下载地址：https://mosquitto.org/files/source/
MQTT 协议参考网站：MQTT 3.1.1
libwebsockets下载地址：https://github.com/warmcat/libwebsockets/releases
CentOS 版本：CentOS 7.8.2003

2.1 软件准备

从官网获取安装包：

wget http://mosquitto.org/files/source/mosquitto-1.4.14.tar.gz

2.2 安装

tar -zxvf mosquitto-1.4.14.tar.gz
cd mosquitto-1.4.14

2.3 修改配置文件

config.mk 包括了多个选项, 可按需关闭或开启，但一旦开启则需要先安装对应的模块。

vim config.mk

选项	说明	make时的出错信息
WITH_SRV	启用c-areas库的支持，一个支持异步DNS查找的库，见http://c-ares.haxx.se	missing ares.h
WITH_UUID	启用lib-uuid支持，支持为每个连接的客户端生成唯一的uuid。	missing uuid.h
WITH_WEBSOCKETS	启用websocket支持，需安装libwebsockets，对于需要使用websocket协议的应用开启。	missing libwebsockets.h

WITH_SRV:=yes
WITH_UUID:=yes
WITH_WEBSOCKETS:=yes

2.3.1 安装 c-areas

yum install c-ares-devel -y

2.3.2 安装 lib-uuid

yum install uuid-devel -y
yum install libuuid-devel -y

2.3.3 安装 libwebsockets

cd ~
wget https://github.com/warmcat/libwebsockets/archive/v3.2.1.tar.gz
tar zxvf v3.2.1.tar.gz
cd libwebsockets-3.2.1
mkdir build
cd build
cmake .. -DLIB_SUFFIX=64
make install
ldconfig

cd mosquitto-1.4.14
yum install openssl-devel -y

2.4 编译和安装

make && make install

执行编译 make 命令的时候，如果你的终端出现：

那就把把 WITH_WEBSOCKETS 从 yes 改成 no 后，就可以成功编译了。

WITH_WEBSOCKETS:=yes
改成
WITH_WEBSOCKETS:=no

如果你的应用不需要 websocket 协议，可以把这个参数给设置 no 关掉。

如果终端出现的是这样：

那么恭喜你，Mosquitto 安装成功了。

2.5 说明

程序文件将默认安装到以下位置

路径	程序文件
/usr/local/sbin	mosquiotto server
/etc/mosquitto	configuration
/usr/local/bin	utility command

修正链接库路径

由于操作系统版本及架构原因，很容易出现安装之后的链接库无法被找到，如启动 mosquitto 客户端可能出现找不到 libmosquitto.so.1 文件，因此需要添加链接库路径：

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

在文件中添加以下内容：

/usr/local/lib64
/usr/local/lib
# 刷新
ldconfig

三、 Mosquitto Server 启动与测试

3.1 启动

3.1.1 mosquitto 默认以 mosquitto 用户启动

可以通过配置文件修改，需添加用户：

groupadd mosquitto
useradd -g mosquitto mosquitto

3.1.2 修改配置文件

mv /etc/mosquitto/mosquitto.conf.example /etc/mosquitto/mosquitto.conf

# =================================================================
# General configuration
# =================================================================
# 客户端心跳的间隔时间
#retry_interval 20
# 系统状态的刷新时间
#sys_interval 10
# 系统资源的回收时间，0表示尽快处理
#store_clean_interval 10
# 服务进程的PID
#pid_file /var/run/mosquitto.pid
# 服务进程的系统用户
#user mosquitto
# 客户端心跳消息的最大并发数
#max_inflight_messages 10
# 客户端心跳消息缓存队列
#max_queued_messages 100
# 用于设置客户端长连接的过期时间，默认永不过期
#persistent_client_expiration
# =================================================================
# Default listener
# =================================================================
# 服务绑定的IP地址
#bind_address
# 服务绑定的端口号
#port 1883
# 允许的最大连接数，-1表示没有限制
#max_connections -1
# cafile：CA证书文件
# capath：CA证书目录
# certfile：PEM证书文件
# keyfile：PEM密钥文件
#cafile
#capath
#certfile
#keyfile
# 必须提供证书以保证数据安全性
#require_certificate false
# 若require_certificate值为true，use_identity_as_username也必须为true
#use_identity_as_username false
# 启用PSK（Pre-shared-key）支持
#psk_hint
# SSL/TSL加密算法，可以使用“openssl ciphers”命令获取
# as the output of that command.
#ciphers
# =================================================================
# Persistence
# =================================================================
# 消息自动保存的间隔时间
#autosave_interval 1800
# 消息自动保存功能的开关
#autosave_on_changes false
# 持久化功能的开关
persistence true
# 持久化DB文件
persistence_file mosquitto.db
# 持久化DB文件目录
persistence_location /var/lib/mosquitto/
# =================================================================
# Logging
# =================================================================
# 4种日志模式：stdout、stderr、syslog、topic
# none 则表示不记日志，此配置可以提升些许性能
log_dest none
# 选择日志的级别（可设置多项）
#log_type error
#log_type warning
#log_type notice
#log_type information
# 是否记录客户端连接信息
#connection_messages true
# 是否记录日志时间
#log_timestamp true
# =================================================================
# Security
# =================================================================
# 客户端ID的前缀限制，可用于保证安全性
#clientid_prefixes
# 允许匿名用户
#allow_anonymous true
# 用户/密码文件，默认格式：username:password
#password_file
# PSK格式密码文件，默认格式：identity:key
#psk_file
# pattern write sensor/%u/data
# ACL权限配置，常用语法如下：
# 用户限制：user <username>
# 话题限制：topic [read|write] <topic>
# 正则限制：pattern write sensor/%u/data
#acl_file
# =================================================================
# Bridges
# =================================================================
# 允许服务之间使用“桥接”模式（可用于分布式部署）
#connection <name>
#address <host>[:<port>]
#topic <topic> [[[out | in | both] qos-level] local-prefix remote-prefix]
# 设置桥接的客户端ID
#clientid
# 桥接断开时，是否清除远程服务器中的消息
#cleansession false
# 是否发布桥接的状态信息
#notifications true
# 设置桥接模式下，消息将会发布到的话题地址
# $SYS/broker/connection/<clientid>/state
#notification_topic
# 设置桥接的keepalive数值
#keepalive_interval 60
# 桥接模式，目前有三种：automatic、lazy、once
#start_type automatic
# 桥接模式automatic的超时时间
#restart_timeout 30
# 桥接模式lazy的超时时间
#idle_timeout 60
# 桥接客户端的用户名
#username
# 桥接客户端的密码
#password
# bridge_cafile：桥接客户端的CA证书文件
# bridge_capath：桥接客户端的CA证书目录
# bridge_certfile：桥接客户端的PEM证书文件
# bridge_keyfile：桥接客户端的PEM密钥文件
#bridge_cafile
#bridge_capath
#bridge_certfile
#bridge_keyfile

关于详细配置可参考：http://mosquitto.org/man/mosquitto-conf-5.html

3.1.3 设置用户名和密码

将配置文件中 #allow_anonymous true 去掉注释，设置为 false，#password_file 去掉注释并添加密码文件保存的位置：

allow_anonymous false
password_file /etc/mosquitto/pwfile.example

mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/pwfile.example 用户名
之后需输入两次密码
注意如果想添加用户
mosquitto_passwd -b /etc/mosquitto/pwfile.example 用户名 密码

同样连续会提示连续输入两次密码。注意第二次创建用户时不用加 -c 如果加 -c 会把第一次创建的用户覆盖。

3.1.4 启动 mosquitto

mosquitto -c /etc/mosquitto/mosquitto.conf -d

成功将启动并监听 1883 端口

3.2 测试

新建两个 shell 窗口 A/B

A 订阅主题：

mosquitto_sub -t 主题名 -h 主机IP -u 用户名 -P 密码
例如：mosquitto_sub -t topic-riemann -h localhost -u mosquitto -P mosquitto

B 推送消息：

mosquitto_pub -t 主题名 -h 主机IP -m "消息内容" -u 用户名 -P 密码
例如：mosquitto_pub -t topic-riemann -h localhost -m "hello，mqtt" -u mosquitto -P mosquitto

3.3 可能遇到的问题

如果你出现这个错误：

mosquitto_sub: error while loading shared libraries: libmosquitto.so.1: cannot open shared object file: No such file or directory

解决方法：

编译完 mosquitto 之后，进入到 lib 目录下，将编译之后的 libmosquitto.so.1 拷贝到目录 /usr/local/lib下，执行如下命令：

cp libmosquitto.so.1 /usr/local/lib

然后再执行命令：

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

3.4 测试结果

四、Java 实现 Mosquitto 客户端

4.1 项目结构图

4.2 添加 pom.xml

<parent>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
    <version>2.1.6.RELEASE</version>
</parent>

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-devtools</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.projectlombok</groupId>
        <artifactId>lombok</artifactId>
        <optional>true</optional>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.integration</groupId>
        <artifactId>spring-integration-mqtt</artifactId>
        <version>5.2.5.RELEASE</version>
    </dependency>
</dependencies>

4.3 application.yml

mqtt:
  host: tcp://服务器IP:1883
  clientId: client_${random.value}
  topic: test/system/module/biz
  qoslevel: 1
  username: mosquitto
  password: mosquitto
  timeout: 10000
  keepalive: 20

server:
  port: 8888

4.4 MqttConfig

/**
 * @author: 微信公众号【老周聊架构】
 */
@Slf4j
@Configuration
@IntegrationComponentScan
public class MqttConfig {
    @Value("${mqtt.username}")
    private String username;

    @Value("${mqtt.password}")
    private String password;

    @Value("${mqtt.host}")
    private String hostUrl;

    @Value("${mqtt.clientId}")
    private String clientId;

    @Value("${mqtt.topic}")
    private String defaultTopic;

    // 连接超时
    @Value("${mqtt.timeout}")
    private int completionTimeout;

    @Bean
    public MqttConnectOptions getMqttConnectOptions() {
        MqttConnectOptions mqttConnectOptions = new MqttConnectOptions();
        mqttConnectOptions.setCleanSession(true);
        mqttConnectOptions.setConnectionTimeout(10);
        mqttConnectOptions.setKeepAliveInterval(90);
        mqttConnectOptions.setAutomaticReconnect(true);
        mqttConnectOptions.setUserName(username);
        mqttConnectOptions.setPassword(password.toCharArray());
        mqttConnectOptions.setServerURIs(new String[]{hostUrl});
        mqttConnectOptions.setKeepAliveInterval(2);
        return mqttConnectOptions;
    }

    @Bean
    public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
        DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
        factory.setConnectionOptions(getMqttConnectOptions());
        return factory;
    }

    @Bean
    @ServiceActivator(inputChannel = "mqttOutboundChannel")
    public MessageHandler mqttOutbound() {
        MqttPahoMessageHandler messageHandler = new MqttPahoMessageHandler(clientId, mqttClientFactory());
        messageHandler.setAsync(true);
        messageHandler.setDefaultTopic(defaultTopic);
        return messageHandler;
    }

    @Bean
    public MessageChannel mqttOutboundChannel() {
        DirectChannel directChannel = new DirectChannel();
        return directChannel;
    }

    // 接收通道
    @Bean
    public MessageChannel mqttInputChannel() {
        DirectChannel directChannel = new DirectChannel();
        return directChannel;
    }

    // 配置client,监听的topic
    @Bean
    public MessageProducer inbound() {
        MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter adapter = new MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(clientId + "_inbound",
                mqttClientFactory(), "test/#");
        adapter.setCompletionTimeout(completionTimeout);
        adapter.setConverter(new DefaultPahoMessageConverter());
        adapter.setQos(1);
        adapter.setOutputChannel(mqttInputChannel());
        return adapter;
    }

    // 通过通道获取数据
    @Bean
    @ServiceActivator(inputChannel = "mqttInputChannel")
    public MessageHandler handler() {
        return message -> {
            String topic = (String)message.getHeaders().get("mqtt_receivedTopic");
            log.info("主题：{}，消息接收到的数据：{}", topic, message.getPayload());
        };
    }
}

4.5 MqttGateWay

/**
 * @author: 微信公众号【老周聊架构】
 */
@MessagingGateway(defaultRequestChannel = "mqttOutboundChannel")
public interface MqttGateWay {
    // 定义重载方法，用于消息发送
    void sendToMqtt(String payload);
    // 指定topic进行消息发送
    void sendToMqtt(@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic, String payload);
    void sendToMqtt(@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic, @Header(MqttHeaders.QOS) int qos, String payload);
}

4.6 MqttController 控制类

/**
 * @author: 微信公众号【老周聊架构】
 */
@Slf4j
@RestController
@RequestMapping("/api")
public class MqttController {
    @Autowired
    MqttGateWay mqttGateWay;

    @PostMapping("/publish")
    public String publish(@RequestHeader(value = "toplic") String toplic , String message) {
        log.info(String.format("topic: %s, message: %s", toplic, message));
        mqttGateWay.sendToMqtt(toplic, message);
        return "success";
    }
}

4.7 MqttApplication 启动类

/**
 * @author: 微信公众号【老周聊架构】
 */
@SpringBootApplication
public class MqttApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(MqttApplication.class, args);
    }
}

4.8 启动 mosquitto 服务器

mosquitto -c /etc/mosquitto/mosquitto.conf -d

4.9 利用 IDEA 的 HTTP Client 模拟 HTTP 请求

4.10 测试结果

IDEA 控制台接收到该主题的消息：

shell 终端显示也收到了订阅了该主题的消息：