详解 MQTT，提供实时可靠的消息服务

[leecactus0]

在以往的文章中，常常提到一种 “轻量级” 通信协议，那就是 MQTT。这篇文章将带领大家了解 MQTT 的大概内容和 JSRE 的 MQTT 模块。

 

MQTT 简介

 

MQTT 的优势

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” 通信协议，该协议构建于 TCP/IP 协议上，由 IBM 在 1999 年发布。

 

传统的基于 TCP 协议的 MQTT，对于小内存的传感器或者 IoT 设备来说，负载较为沉重，因此有基于 UDP 的 MQTT-SN(Sensor Networks)，当前在传感器领域应用比较广泛，除此之外还有 MQTT over websocket 。

 

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信协议，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 协议的主要特点：轻巧高效、可靠的消息传递、双向通信、支持不可靠的网络、可启用安全、可扩展到数以百万计的事物。在爱智的生态中，我们可以使用 Spirit 1 与各种智能设备通信打造个性化的智慧家庭，也可以与传感器、生产设备通信建造智慧园区完成工业生产。

 

MQTT 框架

MQTT 网络架构由消息服务器（Broker）、订阅者（Subscriber）、发布者（Publisher）组成，订阅者（Subscriber）和发布者（Publisher）都是 MQTT 客户端（client），发布者同时也可以订阅自己发送的消息。

 

在我们前几期的“爱智许愿树从0到完美”系列文章中，Spirit 1 就是消息服务器，我们通过 EdgerOS APP  发布愿望信息，最后通过树莓派订阅愿望信息来控制字牌和灯带。

 

MQTT 主题

发布者向服务器发布某一特定主题（Topic）的消息，然后服务器将该主题下的所有消息转发给订阅者。由于 MQTT 的 通信消息的数量级比较庞大，所以主题是通过  / 为分隔符划分不同层次，这样client 之间就可以收发自己想要的消息，主题的基本结构如下：

EdgerOS
EdgerOS/MQTT
EdgerOS/MQTT/API
EdgerOS/MQTT/Apply
EdgerOS/SDDC/Apply

订阅 EdgerOS 只能收到 EdgerOS 的主题，订阅 EdgerOS/SDDC 只能收到 EdgerOS/SDDC 的主题消息。主题也可以包含 + 和 # 两种通配符， + 代表当前层， # 代表当前层和其子层，比如订阅 EdgerOS/+ 可以收到 EdgerOS/MQTT 和 EdgerOS/SDDC 。订阅 EdgerOS/# 可以收到 EdgerOS/SDDC 、EdgerOS/MQTT/API 等等之类的消息。

 

消息 QoS

QoS 标识消息的服务级别，MQTT 规定了三种消息服务级别：

• QoS 0：消息最多传递一次，如果 Receiver 不可用，则会丢失该消息

• QoS 1：消息传递至少 1 次

• QoS 2：消息仅传送一次

 

QoS 0 是一种 "fire and forget" 的消息发送模式：Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 发送一条消息之后，就不再关心它有没有发送到对方，也不设置任何重发机制。

 

QoS 1 包含了简单的重发机制，Sender 发送消息之后等待接收者的 ACK，如果没收到 ACK 则重新发送消息。这种模式能保证消息至少能到达一次，但无法保证消息不重复。

 

QoS 2 是最高的级别，QoS 2 设计了重发和重复消息发现机制，它需要经过两次通信才能完成：PUBLISH <-> PUBREC，PUBREL <-> PUBCOMP，保证消息到达对方并且严格只到达一次。

 JSRE 的 MQTT 模块

我们可以使用该模块创建 MQTT client，使用 TCP 和 TLS 两种安全连接方式与 Spirit 1 的 MQTT server 或 其他的 IoT cloud service 进行数据交互。MQTT 不限制传输的主题和消息内容的类型，但出于兼容性的考虑，JSRE 建议使用 JSON 数据格式进行发布和订阅。

 

API

mqtt.open(saddr[, tlsOpt[, timeout])

创建一个 MQTT client 并连接到指定的 MQTT 服务器，使用同步模式。

 

saddr ：服务器套接字地址。

tlsOpt ：TLS安全连接选项。默认为 undefined ，表示使用 TCP 连接。

timeout ：同步连接的等待时间，单位是毫秒，默认：undefined ，表示用默认的连接超时设置。

const serAddr = socket.sockaddr('192.168.128.1', 1883)
const client = mqtt.open(serAddr, undefined, 5000)
if (!client) {
  console.log('Can not connect to broker.')
}

mqtt.mode()

获得当前进程的MQTT工作模式，有以下三种模式：

off ：MQTT 未被启用。

listener ：MQTT 侦听模式，不可以发布主题消息。

publisher ：MQTT 可以订阅和发布消息。

 

client.close()

关闭与 MQTT server 的连接。

 

client.connect(clientOpt[, callback])

使用指定参数与  MQTT server 进行连接

clientOpt ：MQTT 连接参数。

callback ：连接之后的回调函数，有 client 参数，为 MQTT client 对象。

 

MQTT 连接参数如下：

client ：可以被 server 识别的 client id 。

user ：server 的用户名。

passwd ：server 的密码。

keepalive ：保持时间，以秒为单位。如果在给定的时间内，本次连接没有发送任何数据，server 将断开与 client 的连接。

will ：如果这个标志被设置为  true，则消息和主题的 QoS 必须给定在 0~2 之内。

qos ：如果 will 被设置为 true，消息将以给定的 QoS 值发送。

message ：仅当 will 设置为 true 时才处理，当连接中断时发送该消息。

topic ：只在 will 设置为 true 时处理，消息的主题。

/* MQTT Client Options */
const options = { client: 'Spirit', user: 'admin', passwd: 'password', will: false, topic: '', message: '', keepalive: 60, qos: 0 }
client.connect(options, (client) => {
  console.log('MQTT Connected!')
  // do something
})

client.isConnected()

获取 client 当前的连接状态， true 为连接， false 为未连接。

 

client.isQueued()

获取发送队列是否包含未被 server 确认的消息。

 

client.publish(topic, message[, options[, callback]])

使用指定的参数发布一条消息。

topic ：消息主题。

message ：消息的内容。

options ：默认 qos 为0，retain 为 false 。

callback  ：发布时的回调函数，参数为 error ，假如 error 为 true ，则发布失败。

qos ：默认为 0 。

retain ：假如为 true，server 将保留消息，以便以后订阅参数 retain 设置 为 true 的订阅者可以收到。

client.publish('topic1', 'message1')
client.publish('topic2', 'message2', { qos: 1 })
client.publish('topic3', 'message3', { qos: 1 }, (error) => {
  if (error) {
    console.log('Publish error:', error)
  }
})

client.subscribe(topic[, options[, callback]])

使用指定的参数订阅消息。

topic ：订阅消息主题

options ：订阅的选项，默认 qos 为0，retain 为 false 。

callback  ：订阅时的回调函数，参数为 error ，假如 error 为 true ，则订阅失败。

qos ：默认为 0 。

retain ：假如为 true ，订阅者连接之后会收到之前 server 保留的消息。

client.subscribe('topic1', { qos: 1 })

client.unsubscribe(topic[, callback])

取消订阅消息

topic ：退订信息主题。

callback ：取消订阅的回调函数，参数为 error ，假如 error 为 true，则取消订阅失败。

client.unsubscribe('topic1', (error) => {
  if (error) {
    console.log('Unsubscribe error:', error)
  }
})

事件

在特定情况下，会通过客户端的事件触发器抛出以下事件：

 

connect

当 client 与 server 建立连接的时候触发。

 

disconnect

当网络链路断开，会触发这个事件。

 

close

当 server 与 client 正常断开连接的时候触发。

 

error

如果发生错误且未调用回调函数，则会发出包含错误信息的事件。如果此事件没有被侦听，则会引发异常。

 

message

当 client 从 server 接收到消息时，会触发此事件。

 

到这里已经大概讲述了 MQTT 的协议规定和 JSRE 中 MQTT 相关模块的应，想要更具体深入学习 MQTT，请结合相关文章进行思考和实践。