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。

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：

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。

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。

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：

学习笔记总结自‘物联网开发实战’–郭朝斌
–笔记只用于学习交流，请不要用于商业用途。