物联网网络协议-MQTT协议的使用

简介: 物联网网络协议-MQTT协议的使用

非加密消息传输

物联网系统中网络协议是物联网设备之间沟通的“语言”,使用同一种语言,双方才能通信成功。MQTT 协议是最流行的一种,它甚至已经成为物联网系统事实上的网络协议标准。

第一步是安装 hbmqtt,它是一个开源的基于 Python 语言的 MQTT Broker 软件,正好包括我们需要使用一些工具。hbmqtt通过打开终端输入 pip 命令就可以安装。这也是选择使用它的主要原因。
不过要注意的是,hbmqtt 是基于 Python3 实现的,因此这里使用的是 pip3 工具。

pip3 install hbmqtt

安装完成后,我们就可以使用 hbmqtt 中提供的 hbmqtt_sub 和 hbmqtt_pub 这两个命令行工具了。通过名字,你应该也可以看出 hbmqtt_sub 可以充当订阅者的角色;hbmqtt_pub 可以作为消息的发布者。
至于订阅者和发布者之间的经纪人,也就是 MQTT Broker,我们使用 Eclipse 免费开放的在线 Broker 服务。
链接: link.
打开链接,你可以看到关于端口的介绍信息,加密和非加密方式都支持,而且还有基于 Websocket 的实现,这对基于前端网页的应用来说是非常有利的。
我们先使用 1883 端口的非加密方式,然后为消息传输确定一个主题(Topic)。主题确定了消息的类别,用于消息过滤。我们可以把主题可以设为“/geektime/iot”。

/geektime/iot

接着,我们在电脑的终端界面输入下面的命令,就可以订阅这个主题消息:

hbmqtt_sub --url mqtt://mqtt.eclipse.org:1883 -t /geektime/iot

如果你想了解一些命令的执行细节,可以在上面的命令中加上 “-d” 参数。
现在,我们启动另外一个终端界面,通过 hbmqtt_pub 发布一个 “/geektime/iot” 主题的消息:

hbmqtt_pub --url mqtt://mqtt.eclipse.org:1883 -t /geektime/iot -m Hello,World!

通过 Eclipse 的开放 Broker 作为“经纪人”,消息被传输到了我们通过 hbmqtt_sub 运行的订阅者那里。下图是终端界面上运行的结果,一个完整的消息传输过程就这样完成了。

截屏2023-12-27 下午8.09.31.png

MQTT 在物联网领域的优势

MQTT 的生态很完善

在使用 MQTT 的时候会觉得很方便,可供挑选的方案有很多,可以支持多种语言。类似的 MQTT Broker 软件,你还可以选择基于 C 语言的Mosquitto,基于 Erlang 语言的VerneMQ等。
至于 MQTT 的客户端(Client)实现,也有成熟的 Python、C、Java 和 JavaScript 等各种编程语言的开源实现。
而且,还有很多商业公司在持续运营功能更丰富、支持更完备的商业版 Broker 实现,比如提供高并发能力的集群特性、方便拓展的插件机制等。这些会大大提高我们技术开发者的工作效率。

MQTT 自身的“基因”很强大

阿里云、华为云、腾讯云和微软 Azure 这些大厂,之所以不约而同地选择 MQTT 协议作为物联网设备的“第一语言”,不仅是因为 MQTT 的生态完善,MQTT 协议本身的优秀设计也是重要的因素。
它在设计上的优点体现在主要有五个方面:
1.契合物联网大部分应用场景的发布 - 订阅模式。
2.能够满足物联网中资源受限设备需要的轻量级特性。
3.时刻关注物联网设备低功耗需求的优化设计。
4.针对物联网中多变的网络环境提供的多种服务质量等级。
5.支持在物联网应用中越来越被重视的数据安全。

发布 - 订阅模式

刚才通信过程,是一个发布者和一个订阅者的情况。在这之后,你可以再打开一个终端界面,重复和之前一样的命令,再启动一个订阅者。

hbmqtt_sub --url mqtt://mqtt.eclipse.org:1883 -t /geektime/iot

现在,这两个订阅者都订阅了“/geektime/iot” 主题的消息。
然后,你再次使用 hbmqtt_pub 发送消息,就可以看到两个订阅者都收到了同样的消息,这是发布 - 订阅模式的典型特征。

因为采用了发布 - 订阅模式,MQTT 协议具有很多优点,
比如能让一个传感器数据触发一系列动作;
网络不稳定造成的临时离线不会影响工作;
方便根据需求动态调整系统规模等。
这使得它能满足绝大部分物联网场景的需求。

轻量级协议:减少传输数据量

MQTT 是一个轻量级的网络协议,这一点也是它在物联网系统中流行的重要原因。毕竟物联网中大量的都是计算资源有限、网络带宽低的设备。
这种“轻量级”体现在两个方面。
一方面,MQTT 消息采用二进制的编码格式,而不是 HTTP 协议那样的文本的表述方式。
这样子做的好处就是可以充分利用字节位,协议头可以很紧凑,从而尽量减少需要通过网络传输的数据量。
比如,分析 HTTP 的一个请求抓包,它的消息内容是下面这样的(注意:空格和回车、换行符都是消息的组成部分):

GET /account HTTP/1.1    <--注释:HTTP请求行
Host: time.geekbang.com  <--注释:以下为HTTP请求头部
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10.15; rv:81.0) Gecko/20100101 Firefox/81.0
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip, deflate, sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8,en;q=0.6
     <--注释:这个空行是必须的,即使下面的请求体是空的

在 HTTP 协议传输的这段文本中,每个字符都要占用 1 个字节。而如果使用 MQTT 协议,一个字节就可以表示很多内容。下面的图片展示了 MQTT 的固定头的格式,这个固定头只有 2 个字节:
截屏2023-12-27 下午8.09.12.png
第一个字节分成了高 4 位(4~7)和低 4 位(0~3);低 4 位是数据包标识位,其中的每一比特位又可以表示不同的含义;高 4 位是不同数据包类型的标识位。
第二个字节表示数据包头部和消息体的字节共个数,其中最高位表示有没有第三字节存在,来和第二个字节一起表示字节共个数。
如果有第三个字节,那它的最高位表示是否有第四个字节,来和第二个字节、第三个字节一起表示字节总个数。依此类推,还可能有第四个字节、第五个字节,不过这个表示可变头部和消息体的字节个数的部分,最多也只能到第五个字节,所以可以表示的最大数据包长度有 256MB。
比如,一个请求建立连接的 CONNECT 类型数据包,头部需要 14 个字节;发布消息的 PUBLISH 类型数据包头部只有 2~4 个字节。
轻量级的另一方面,体现在消息的具体交互流程设计非常简单,所以 MQTT 的交互消息类型也非常少。为了方便后面的讲解,我在这里整理了一个表格,总结了 MQTT 不同的数据包类型的功能和发消息的流向。
从表格可以看出,MQTT 3.1.1 版本一共定义了 14 种数据包的类型,在第一个字节的高 4 位中分别对应从 1 到 14 的数值。

截屏2023-12-27 下午8.10.23.png

功耗优化:节约电量和网络资源

除了让协议足够轻量,MQTT 协议还很注重低功耗的优化设计,这主要体现在对能耗和通信次数的优化。
比如,MQTT 协议有一个 Keepalive 机制。它的作用是,在 Client 和 Broker 的连接中断时,让双方能及时发现,并重新建立 MQTT 连接,保证主题消息的可靠传输。
这个机制工作的原理是:Client 和 Broker 都基于 Keepalive 确定的时间长度,来判断一段时间内是否有消息在双方之间传输。这个 Keepalive 时间长度是在 Client 建立连接时设置的,如果超出这个时间长度,双方没有收到新的数据包,那么就判定连接断开。

除了 Keepalive 机制,MQTT 5.0 中的重复主题特性也能帮助我们节省网络资源。
Client 在重复发送一个主题的消息时,可以从第二次开始,将主题名长度设置为 0,这样 Broker 会自动按照上次的主题来处理消息。这种情况对传感器设备来说十分常见,所以这个特性在工作中很有实际意义。

3 种 QoS 级别:可靠通信
除了计算资源有限、网络带宽低,物联网设备还经常遇到网络环境不稳定的问题,尤其是在移动通信、卫星通信这样的场景下。比如共享单车,如果用户已经锁车的这个消息,不能可靠地上传到服务器,那么计费就会出现错误,结果引起用户的抱怨。这样怎么应对呢?
这个问题产生的背景就是不稳定的通信条件,所以 MQTT 协议设计了 3 种不同的 QoS (Quality of Service,服务质量)级别。你可以根据场景灵活选择,在不同环境下保证通信是可靠的。
这 3 种级别分别是:
QoS 0,表示消息最多收到一次,即消息可能丢失,但是不会重复。
QoS 1,表示消息至少收到一次,即消息保证送达,但是可能重复。
QoS 2,表示消息只会收到一次,即消息有且只有一次。

截屏2023-12-27 下午8.10.38.png

我用一张图展示了它们各自的特点。可以看到,QoS 0 和 QoS 1 的流程相对比较简单;而 QoS 2 为了保证有且只有一次的可靠传输,流程相对复杂些。
正常情况下,QoS 2 有 PUBLISH、PUBREC、PUBREL 和 PUBCOMP 4 次交互。
至于“不正常的情况”,发送方就需要重复发送消息。比如一段时间内没有收到 PUBREC 消息,就需要再次发送 PUBLISH 消息。不过要注意,这时要把消息中的 “重复”标识设置为 1,以便接收方能正确处理。同样地,如果没有收到 PUBCOMP 消息,发送方就需要再次发送 PUBREL 消息。

安全传输

说到安全传输,首先我们需要验证 Client 是否有权限接入 MQTT Broker。为了控制 Client 的接入,MQTT 提供了用户名 / 密码的机制。在建立连接过程中,它可以通过判断用户名和密码的正确性,来筛选有效连接请求。但是光靠这个机制,还不能保证网络通信过程中的数据安全。因为在明文传输的方式下,不止设备数据,甚至用户名和密码都可能被其他人从网络上截获而导致泄漏,于是其他人就可以伪装成合法的设备发送数据。
所以还需要通信加密技术的支持。
MQTT 协议支持 SSL/TLS 加密通信方式。采用 SSL/TLS 加密之后,MQTT 将转换为 MQTTS。这有点类似于 HTTP 和 HTTPS 的关系。
我们只要将前面测试的命令修改一下,将 “mqtt://” 改为 “mqtts://”,端口改为 8883,就可以用 SSL/TLS 加密通信方式连接到 Eclipse 提供的开放 Broker。
如果这个的 SSL 证书已经过期了,连接会失败。
这里再提供另一个方式,供测试使用)
输入“mqtts://test.mosquitto.org:8883”,把开放 Broker 切换到这个链接,
链接: link.
从链接中下载一个客户端证书,然后通过下面的命令订阅主题消息:

hbmqtt_sub --url mqtts://test.mosquitto.org:8883 -t /geektime/iot --ca-file ~/Downloads/mosquitto.org.crt

接着,我们再通过下面的命令测试发布消息:

hbmqtt_pub --url mqtts://test.mosquitto.org:8883 -t /geektime/iot -m Hello,World! --ca-file ~/Downloads/mosquitto.org.crt

最后在运行 hbmqtt_sub 命令的终端,就可以看到 Hello,World! 的消息:

截屏2023-12-27 下午8.10.49.png

学习笔记总结自‘物联网开发实战’--郭朝斌

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