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MQTT入门篇

物联网(Internet of Things,IoT)最近曝光率越来越高。虽然HTTP是网页的事实标准,不过机器之间(Machine-to-Machine,M2M)的大规模沟通需要不同的模式:之前的请求/回答(Request/Response)模式不再合适,取而代之的是发布/订阅(Publish/Subscribe)模式。这就是轻量级、可扩展的MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)可以施展拳脚的舞台。

MQTT简介

MQTT是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议,最早由IBM提出的,如今已经成为OASIS规范。由于规范很简单,非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景,比如:

  • 遥感数据
  • 汽车
  • 智能家居
  • 智慧城市
  • 医疗医护

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:

  1. 精简,不添加可有可无的功能。
  2. 发布/订阅(Pub/Sub)模式,方便消息在传感器之间传递。
  3. 允许用户动态创建主题,零运维成本。
  4. 把传输量降到最低以提高传输效率。
  5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
  6. 支持连续的会话控制。
  7. 理解客户端计算能力可能很低。
  8. 提供服务质量管理。
  9. 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。

运用MQTT协议,设备可以很方便地连接到物联网云服务,管理设备并处理数据,最后应用到各种业务场景,如下图所示:

iot-mqtt-tutorial-01

发布/订阅模式

与请求/回答这种同步模式不同,发布/订阅模式解耦了发布消息的客户(发布者)与订阅消息的客户(订阅者)之间的关系,这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。打个比方,你打电话给朋友,一直要等到朋友接电话了才能够开始交流,是一个典型的同步请求/回答的场景;而给一个好友邮件列表发电子邮件就不一样,你发好电子邮件该干嘛干嘛,好友们到有空了去查看邮件就是了,是一个典型的异步发布/订阅的场景。

熟悉编程的同学一定非常熟悉这种设计模式了,因为它带来了这些好处:

  • 发布者与订阅者不必了解彼此,只要认识同一个消息代理即可。
  • 发布者和订阅者不需要交互,发布者无需等待订阅者确认而导致锁定。
  • 发布者和订阅者不需要同时在线,可以自由选择时间来消费消息。

主题

MQTT是通过主题对消息进行分类的,本质上就是一个UTF-8的字符串,不过可以通过反斜杠表示多个层级关系。主题并不需要创建,直接使用就是了。

主题还可以通过通配符进行过滤。其中,+可以过滤一个层级,而#只能出现在主题最后表示过滤任意级别的层级。

举个例子:

  • building-b/floor-5:代表B楼5层的设备。
  • +/floor-5:代表任何一个楼的5层的设备。
  • building-b/#:代表B楼所有的设备。

注意,MQTT允许使用通配符订阅主题,但是并不允许使用通配符广播。

服务质量

为了满足不同的场景,MQTT支持三种不同级别的服务质量(Quality of Service,QoS)为不同场景提供消息可靠性:

  • 级别0:尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息,但是遇到意外并不会重试。
  • 级别1:至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失,消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次,当然可能造成重复消息。
  • 级别2:恰好一次。保证这种语义肯定会减少并发或者增加延时,不过丢失或者重复消息是不可接受的时候,级别2是最合适的。

服务质量是个老话题了。级别2所提供的不重不丢很多情况下是最理想的,不过往返多次的确认一定对并发和延迟带来影响。级别1提供的至少一次语义在日志处理这种场景下是完全OK的,所以像Kafka这类的系统利用这一特点减少确认从而大大提高了并发。级别0适合鸡肋数据场景,食之无味弃之可惜,就这么着吧。

消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型:

  1. CONNECT:客户端连接到MQTT代理
  2. CONNACK:连接确认
  3. PUBLISH:新发布消息
  4. PUBACK:新发布消息确认,是QoS 1给PUBLISH消息的回复
  5. PUBREC:QoS 2消息流的第一部分,表示消息发布已记录
  6. PUBREL:QoS 2消息流的第二部分,表示消息发布已释放
  7. PUBCOMP:QoS 2消息流的第三部分,表示消息发布完成
  8. SUBSCRIBE:客户端订阅某个主题
  9. SUBACK:对于SUBSCRIBE消息的确认
  10. UNSUBSCRIBE:客户端终止订阅的消息
  11. UNSUBACK:对于UNSUBSCRIBE消息的确认
  12. PINGREQ:心跳
  13. PINGRESP:确认心跳
  14. DISCONNECT:客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理

后面我们会给出具体的例子。

MQTT代理

市面上有相当多的高质量MQTT代理,其中mosquitto是一个开源的轻量级的C实现,完全兼容了MQTT 3.1和MQTT 3.1.1。下面我们就以mosquitto为例演示一下MQTT的使用。环境是百度开放云的云服务器以及Ubuntu 14.04.1 LTS,简单起见MQTT代理和客户端都安装在同一台云服务器上了。

首先SSH到云服务器,安装mosquitto以及搭配的客户端:

apt-get install mosquitto
apt-get install mosquitto-clients

现在在云端模拟云服务,订阅某办公楼5层的温度作为主题:

mosquitto_sub -d -t 'floor-5/temperature'
Received CONNACK
Received SUBACK
Subscribed (mid: 1): 0

然后另外打开一个SSH连接,模拟温度计发送温度消息:

mosquitto_pub -d -t 'floor-5/temperature' -m '15'
Received CONNACK
Sending PUBLISH (d0, q0, r0, m1, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))

此时回到第一个SSH客户端可以看到信息已经接收到了,之后便是心跳消息:

Received PUBLISH (d0, q0, r0, m0, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))
15
Sending PINGREQ
Received PINGRESP

需要注意的是mosquitto客户端默认使用QoS 0,下面我们使用QoS 2订阅这个主题:

mosquitto_sub -d -q 2 -t 'floor-5/temperature'
Received CONNACK
Received SUBACK
Subscribed (mid: 1): 2

切换到另外SSH连接然后在这个主题里面发送温度消息:

mosquitto_pub -d -q 2 -t 'floor-5/temperature' -m '15'
Received CONNACK
Sending PUBLISH (d0, q2, r0, m1, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))
Received PUBREC (Mid: 1)
Sending PUBREL (Mid: 1)
Received PUBCOMP (Mid: 1)

此时回到第一个SSH客户端可以看到信息已经接收到了,以及相应的多次握手消息:

Received PUBLISH (d0, q2, r0, m1, 'floor-5/temperature', ... (2 bytes))
Sending PUBREC (Mid: 1)
Received PUBREL (Mid: 1)
15
Sending PUBCOMP (Mid: 1)

至此我们初步了解了MQTT的基本知识,祝大家在物联网的世界里面玩得开心!

MQTT系列索引:

  1. MQTT入门篇
  2. MQTT进阶篇
  3. MQTT安全篇
  4. MQTT实战篇


张 琪

7 Comments

  1. 关于通配符,貌似错了
    / is used to separate names in a path(分割路径)
    + is used to match any name in a path(通配地址任何字符)
    # is used to recursively match path names(递归通配)

  2. 按进阶篇弄了websocket之后,入门篇的就跑不起来了,connect不上,求解

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