MQTT Mosquitto安裝和使用

物聯網（Internet of Things，IoT）最近曝光率越來越高。雖然HTTP是網頁的事實標準，不過機器之間（Machine-to-Machine，M2M）的大規模溝通需要不同的模式：之前的請求/回答（Request/Response）模式不再合適，取而代之的是發佈/訂閱（Publish/Subscribe）模式。這就是輕量級、可擴展的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）可以施展拳腳的舞臺。

由於物聯網的環境是非常特別的，所以MQTT遵循以下設計原則：

1. 精簡，不添加可有可無的功能。
2. 發佈/訂閱（Pub/Sub）模式，方便消息在傳感器之間傳遞。
3. 允許用戶動態創建主題，零運維成本。
4. 把傳輸量降到最低以提高傳輸效率。
5. 把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在內。
6. 支持連續的會話控制。
7. 理解客戶端計算能力可能很低。
8. 提供服務質量管理。
9. 假設數據不可知，不強求傳輸數據的類型與格式，保持靈活性。

發佈/訂閱模式

與請求/回答這種同步模式不同，發佈/定義模式解耦了發佈消息的客戶（發佈者）與訂閱消息的客戶（訂閱者）之間的關係，這意味著發佈者和訂閱者之間並不需要直接建立聯繫。打個比方，你打電話給朋友，一直要等到朋友接電話了才能夠開始交流，是一個典型的同步請求/回答的場景；而給一個好友郵件列表發電子郵件就不一樣，你發好電子郵件該幹嘛幹嘛，好友們到有空了去查看郵件就是了，是一個典型的異步發佈/訂閱的場景。

熟悉編程的同學一定非常熟悉這種設計模式了，因為它帶來了這些好處：

1. 發佈者與訂閱者不比了解彼此，只要認識同一個消息代理即可。
2. 發佈者和訂閱者不需要交互，發佈者無需等待訂閱者確認而導致鎖定。
3. 發佈者和訂閱者不需要同時在線，可以自由選擇時間來消費消息。

主題

MQTT是通過主題對消息進行分類的，本質上就是一個UTF-8的字符串，不過可以通過反斜槓表示多個層級關係。主題並不需要創建，直接使用就是了。

主題還可以通過通配符進行過濾。其中，+可以過濾一個層級，而*只能出現在主題最後表示過濾任意級別的層級。舉個例子：

• building-b/floor-5：代表B樓5層的設備。
• +/floor-5：代表任何一個樓的5層的設備。
• building-b/*：代表B樓所有的設備。

注意，MQTT允許使用通配符訂閱主題，但是並不允許使用通配符廣播。

服務質量

為了滿足不同的場景，MQTT支持三種不同級別的服務質量（Quality of Service，QoS）為不同場景提供消息可靠性：

1. 級別0：盡力而為。消息發送者會想盡辦法發送消息，但是遇到意外並不會重試。
2. 級別1：至少一次。消息接收者如果沒有知會或者知會本身丟失，消息發送者會再次發送以保證消息接收者至少會收到一次，當然可能造成重複消息。
3. 級別2：恰好一次。保證這種語義肯待會減少併發或者增加延時，不過丟失或者重複消息是不可接受的時候，級別2是最合適的。

服務質量是個老話題了。級別2所提供的不重不丟很多情況下是最理想的，不過往返多次的確認一定對併發和延遲帶來影響。級別1提供的至少一次語義在日誌處理這種場景下是完全OK的，所以像Kafka這類的系統利用這一特點減少確認從而大大提高了併發。級別0適合雞肋數據場景，食之無味棄之可惜，就這麼著吧。

消息類型

MQTT擁有14種不同的消息類型：

1. CONNECT：客戶端連接到MQTT代理
2. CONNACK：連接確認
3. PUBLISH：新發布消息
4. PUBACK：新發布消息確認，是QoS 1給PUBLISH消息的回覆
5. PUBREC：QoS 2消息流的第一部分，表示消息發佈已記錄
6. PUBREL：QoS 2消息流的第二部分，表示消息發佈已釋放
7. PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分，表示消息發佈完成
8. SUBSCRIBE：客戶端訂閱某個主題
9. SUBACK：對於SUBSCRIBE消息的確認
10. UNSUBSCRIBE：客戶端終止訂閱的消息
11. UNSUBACK：對於UNSUBSCRIBE消息的確認
12. PINGREQ：心跳（空閒時發一個）
13. PINGRESP：確認心跳
14. DISCONNECT：客戶端終止連接前優雅地通知MQTT代理

MQTT代理

市面上有相當多的高質量MQTT代理，其中mosquitto是一個開源的輕量級的C實現，完全兼容了MQTT 3.1和MQTT 3.1.1。下面我們就以mosquitto為例演示一下MQTT的使用。環境是Ubuntu 14.04.1 LTS，簡單起見MQTT代理和客戶端都安裝在同一臺服務器上了。

安裝mosquitto以及搭配的客戶端：

sudo apt-get install mosquitto mosquitto-clients 

簡單測試

一個完整的MQTT示例包括一個代理器，一個發佈者和一個訂閱者。測試分為以下幾個步驟：

1. 啟動服務mosquitto。
2. 訂閱者通過mosquitto_sub訂閱指定主題的消息。
3. 發佈者通過mosquitto_pub發佈指定主題的消息。
4. 代理服務器把該主題的消息推送到訂閱者。

在本例中，發佈者、代理和訂閱者均為localhsot，但是在實際的情況下三種並不是同一個設備，在mosquitto中可通過-h(--host)設置主機名稱(hostname)。為了實現這個簡單的測試案例，需要在linux中打開三個控制檯，分別代表代理服務器、發佈者和訂閱者。

啟動代理服務

mosquitto -v

【-v】打印更多的調試信息

訂閱主題

mosquitto_sub -v -t sensor

【-t】指定主題，此處為sensor

【-v】打印更多的調試信息

發佈內容

mosquitto_pub -t sensor -m 12

【-t】指定主題

【-m】指定消息內容

運行結果

當發佈者推送消息之後，訂閱者獲得以下內容

sensor 12

而代理服務器控制檯中會出現——連接、消息發佈和心跳等調試信息。通過代理服務器的調試輸出可以對MQTT協議的相關過程有所瞭解。

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關鍵字: 設計模式 科技 事實標準