MQTT介绍与使用

　　物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of things（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

　　而在物联网的应用上，对于信息传输，MQTT是一种再合适不过的协议工具了。

一、MQTT简介

　　MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的轻量级协议，该协议构建于TCP/IP协议之上，MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

　　MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。　　

二、特性

　　MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

　　（1）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。

　　（2）对负载内容屏蔽的消息传输。

　　（3）使用TCP/IP提供网络连接。

　　主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

　　（4）有三种消息发布服务质量：

　　“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。

　　“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

　　“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。　

　　（5）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。

　　这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集”，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。

三、实现方式　　

　　实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

　　MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

　　（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；

　　（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

四、MQTT的搭建（ubuntu）

　　1、apt-get安装mqtt相关包

　　

　　

　　2、测试mosquitto是否正确运行

　　

　　3、本机终端测试mqtt

　　打开一个终端，订阅主题

mosquitto_sub -h 192.168.1.102 -t "mqtt" -v

　　【-h】指定要连接的MQTT服务器 
　　【-t】订阅主题，此处为mqtt 
　　【-v】打印更多的调试信息

　　再打开一个终端，发布主题

mosquitto_pub -h 192.168.1.102 -t "mqtt" -m "Hello Stonegeek"

　　【-h】指定要连接的MQTT服务器 
　　【-t】向指定主题推送消息 
　　【-m】指定消息内容

　　结果展示

　　

五、MQTT权限配置

　　前面我们基于Mosquitto服务器已经搭建成功了，但是默认是允许匿名用户登录，对于正式上线的项目则是需要进行用户认证（当然，用户一般都会与数据库映射，不过在这里我们就会直接将用户写入配置文件中）

　　1、Mosquitto服务器的配置文件为/etc/mosquitto/mosquitto.conf，关于用户认证的方式和读取的配置都在这个文件中进行

　　配置文件参数说明：

ID	allow_anonymous	password_file	acl_file	result
1	True(默认)			允许匿名方式登录
2	False	password_file		开启用户验证机制
3	False	password_file	acl_file	开启用户验证机制，但访问控制不起作用
4	True	password_file	acl_file	用户名及密码不为空，将自动进行用户验证且受到访问控制的限制；用户名及密码为空，将不进行用户验证且受到访问控制的限制
5	False			无法启动服务

　　allow_anonymous允许匿名

　　password-file密码文件

　　acl_file访问控制列表

　　2、修改配置文件

　　命令：sudo vi /etc/mosquitto/mosquitto.conf

　　

　　3、添加用户信息

　　

　　命令解释： -c 创建一个用户、/etc/mosquitto/pwfile.example 是将用户创建到 pwfile.example  文件中、admin 是用户名。　

　　　　　　　　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。

　　　　　　　　至此两个用户创建成功，此时如果查看 pwfile.example 文件会发现其中多了两个用户。

　　4、添加Topic和用户的关系

　　

　　5、用户认证测试

　　（1）重启Mosquitto步骤　　　　

　　查看mosquitto的进程

　　命令：ps -aux|grep mosquitto

　　

　　（2）杀死进程

　　命令：sudo kill -9 pid

　　

　　（3）启动

　　命令：mosquitto -c /etc/mosquitto/mosquitto.conf

　　（4）订阅端启动（不加用户）

　　

　　订阅端启动（加用户）

　　

　　（5）发布端启动

　　

六、MQTT实现（Java语言）

　　注意：由于我们在上面配置了MQTT的用户权限控制，所以下面的用户只能使用stonegeek登录，否则项目会运行报错，而且我们在上面设置的访问控制列表中只有mtopic主题，所以我们必须使用此主题，否则，订阅者会收不到已发布的主题内容（已经测试过了）

　　

　　下面是我们Java语言实现的MQTT服务的发布/订阅

　　1、添加Maven依赖

    <dependency>
      <groupId>org.eclipse.paho</groupId>
      <artifactId>org.eclipse.paho.client.mqttv3</artifactId>
      <version>1.1.</version>
    </dependency>

　　2、ServerMQTT.class

package com.stonegeek;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttDeliveryToken;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttPersistenceException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttTopic;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
/**
 * Created by StoneGeek on 2018/6/5.
 * 博客地址：http://www.cnblogs.com/sxkgeek
 * 服务器向多个客户端推送主题，即不同客户端可向服务端订阅相同的主题
 */
public class ServerMQTT {
    //tcp://MQTT安装的服务器地址:MQTT定义的端口号
    public static final String HOST = "tcp://192.168.1.102:1883";
    //定义一个主题
    public static final String TOPIC = "mtopic";
    //定义MQTT的ID，可以在MQTT服务配置中指定
    private static final String clientid = "server11";
 
    private MqttClient client;
    private MqttTopic topic11;
    private String userName = "stonegeek";
    private String passWord = "";
 
    private MqttMessage message;
 
    /**
     * 构造函数
     * @throws MqttException
     */
    public ServerMQTT() throws MqttException {
        // MemoryPersistence设置clientid的保存形式，默认为以内存保存
        client = new MqttClient(HOST, clientid, new MemoryPersistence());
        connect();
    }
 
    /**
     *  用来连接服务器
     */
    private void connect() {
        MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
        options.setCleanSession(false);
        options.setUserName(userName);
        options.setPassword(passWord.toCharArray());
        // 设置超时时间
        options.setConnectionTimeout();
        // 设置会话心跳时间
        options.setKeepAliveInterval();
        try {
            client.setCallback(new PushCallback());
            client.connect(options);
 
            topic11 = client.getTopic(TOPIC);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    /**
     *
     * @param topic
     * @param message
     * @throws MqttPersistenceException
     * @throws MqttException
     */
    public void publish(MqttTopic topic , MqttMessage message) throws MqttPersistenceException,
            MqttException {
        MqttDeliveryToken token = topic.publish(message);
        token.waitForCompletion();
        System.out.println("message is published completely! "
                + token.isComplete());
    }
 
    /**
     *  启动入口
     * @param args
     * @throws MqttException
     */
    public static void main(String[] args) throws MqttException {
        ServerMQTT server = new ServerMQTT();
 
        server.message = new MqttMessage();
        server.message.setQos();
        server.message.setRetained(true);
        server.message.setPayload("hello,topic11".getBytes());
        server.publish(server.topic11 , server.message);
        System.out.println(server.message.isRetained() + "------ratained状态");
    }
}

　　3、ClientMQTT.class

package com.stonegeek;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttTopic;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
/**
 * Created by StoneGeek on 2018/6/5.
 * 博客地址：http://www.cnblogs.com/sxkgeek
 */
public class ClientMQTT {
    public static final String HOST = "tcp://192.168.1.102:1883";
    public static final String TOPIC = "mtopic";
    private static final String clientid = "client11";
    private MqttClient client;
    private MqttConnectOptions options;
    private String userName = "stonegeek";
    private String passWord = "";
 
    private ScheduledExecutorService scheduler;
 
    private void start() {
        try {
            // host为主机名，clientid即连接MQTT的客户端ID，一般以唯一标识符表示，MemoryPersistence设置clientid的保存形式，默认为以内存保存
            client = new MqttClient(HOST, clientid, new MemoryPersistence());
            // MQTT的连接设置
            options = new MqttConnectOptions();
            // 设置是否清空session,这里如果设置为false表示服务器会保留客户端的连接记录，这里设置为true表示每次连接到服务器都以新的身份连接
            options.setCleanSession(true);
            // 设置连接的用户名
            options.setUserName(userName);
            // 设置连接的密码
            options.setPassword(passWord.toCharArray());
            // 设置超时时间 单位为秒
            options.setConnectionTimeout();
            // 设置会话心跳时间 单位为秒 服务器会每隔1.5*20秒的时间向客户端发送个消息判断客户端是否在线，但这个方法并没有重连的机制
            options.setKeepAliveInterval();
            // 设置回调
            client.setCallback(new PushCallback());
            MqttTopic topic = client.getTopic(TOPIC);
            //setWill方法，如果项目中需要知道客户端是否掉线可以调用该方法。设置最终端口的通知消息
            options.setWill(topic, "close".getBytes(), , true);
 
            client.connect(options);
            //订阅消息
            int[] Qos  = {};
            String[] topic1 = {TOPIC};
            client.subscribe(topic1, Qos);
 
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws MqttException {
        ClientMQTT client = new ClientMQTT();
        client.start();
    }
}

　　4、PushCallback.class

package com.stonegeek;
 
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttCallback;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.IMqttDeliveryToken;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;
 
/**
 * Created by StoneGeek on 2018/6/5.
 * 博客地址：http://www.cnblogs.com/sxkgeek
 * 发布消息的回调类 
 *
 * 必须实现MqttCallback的接口并实现对应的相关接口方法CallBack 类将实现 MqttCallBack。 
 * 每个客户机标识都需要一个回调实例。在此示例中，构造函数传递客户机标识以另存为实例数据。 
 * 在回调中，将它用来标识已经启动了该回调的哪个实例。 
 * 必须在回调类中实现三个方法： 
 *
 *  public void messageArrived(MqttTopic topic, MqttMessage message)接收已经预订的发布。 
 *
 *  public void connectionLost(Throwable cause)在断开连接时调用。 
 *
 *  public void deliveryComplete(MqttDeliveryToken token)) 
 *  接收到已经发布的 QoS 1 或 QoS 2 消息的传递令牌时调用。 
 *  由 MqttClient.connect 激活此回调。 
 */
public class PushCallback implements MqttCallback{
    public void connectionLost(Throwable cause) {
        // 连接丢失后，一般在这里面进行重连
        System.out.println("连接断开，可以做重连");
    }
 
    public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
        System.out.println("deliveryComplete---------" + token.isComplete());
    }
 
    public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
        // subscribe后得到的消息会执行到这里面
        System.out.println("接收消息主题 : " + topic);
        System.out.println("接收消息Qos : " + message.getQos());
        System.out.println("接收消息内容 : " + new String(message.getPayload()));
    }
}

　　5、结果展示

　　

　　

　　以上我们MQTT的简单搭建与应用就结束了，之后我们会深入了解MQTT协议的！！！