树莓派打造智能家居（二）：MQTT搭建和测试

1.MQTT是什么

1.1概念

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"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。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。MQTT属于物联网（Internet of Thing）的一个标准传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，易于实现。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应用：
MQTT协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。

• 物联网M2M通信，物联网大数据采集
• Android消息推送，WEB消息推送
• 移动即时消息，例如Facebook Messenger
• 智能硬件、智能家具、智能电器
• 车联网通信，电动车站桩采集
• 智慧城市、远程医疗、远程教育
• 电力、石油与能源等行业市场

1.2 MQTT术语介绍：

网络连接（Network Connection）：
MQTT 使用的底层传输协议基础设施。

• 客户端使用它连接服务端。
• 它提供有序的、可靠的、双向字节流传输

应用消息（Application Message）：
MQTT 协议通过网络传输应用数据。应用消息通过 MQTT 传输时，它们有关联的服务质量（QoS）和主题（Topic）。

客户端（Client）：
使用 MQTT 的程序或设备。客户端总是通过网络连接到服务端。它主要做以下一些事：

• 发布应用消息给其它相关的客户端
• 订阅以请求接受相关的应用消息
• 取消订阅以移除接受应用消息的请求
• 从服务端断开连接。

服务端（Server）：
一个程序或设备，作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端之间的中介。服务端做什么呢

• 接受来自客户端的网络连接
• 接受客户端发布的应用消息
• 处理客户端的订阅和取消订阅请求
• 转发应用消息给符合条件的客户端订阅。

订阅（Subscription）：
订阅包含一个主题过滤器（Topic Filter）和一个最大的服务质量（QoS）等级。订阅与单个会话（Session）关联。会话可以包含多于一个的订阅。会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

主题名（Topic Name）：
附加在应用消息上的一个标签，服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

主题过滤器（Topic Filter:）：
订阅中包含的一个表达式，用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符。

会话（Session）：
客户端和服务端之间的状态交互。一些会话持续时长与网络连接一样，另一些可以在客户端和服务端的多个连续网络连接间扩展。

控制报文（MQTT Control Packet）：
通过网络连接发送的信息数据包。MQTT 规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH 报文）用于传输应用消息。

1.3 MQTT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。

4. 有三种消息发布服务质量：

   4.1 “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。

   4.2 “至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

   4.3“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。由于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就变得非常合适。

1.4 MQTT实现方式：

• 实现MQTT协议需要：客户端和服务器端。
• 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
  • 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）
  • payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容
    
    发布/订阅模式（Pub / Sub）是传统客户端 - 服务器模型的替代方案，客户端直接与端点通信。但是，Pub / Sub将正在接收消息（称为订户）的另一客户端（或更多客户端）发送特定消息（称为发布者）的客户端去耦，这意味着发布者和订阅者不了解彼此的存在，有一个第三个组件，称为代理(broker)，由它作为中转，它将过滤所有传入的消息并相应地分发给它们。也就是说消息并不会直接发送给订阅者，而是发布者首先将带有topic的消息发送broker。订阅者可以从broker订阅自己相关的topic，当broker接收到发布过来的消息后，broker开始执行基于topic的过滤，将特定的消息转发给特定的订阅者。
    

Publish/Subscribe的主要方面是发布者和接收者的多维度解耦，解耦有三个维度：空间，时间，同步：

• 空间解耦：发布者和订阅者不需要彼此认识
• 时间解耦：发布者和订阅者不需要同时运行
• 同步解耦：两个组件的操作在发布或接收过程中都不会停止，同步进行

1.5 MQTT搭建：mosquitto

mosquitto 是一款实现了消息推送协议 MQTT v3.1 的开源消息代理软件，提供轻量级的，支持可发布/可订阅的的消息推送模式，使设备对设备之间的短消息通信变得简单，比如现在应用广泛的低功耗传感器，手机、嵌入式计算机、微型控制器等移动设备。一个典型的应用案例就是 Andy Stanford-ClarkMosquitto（MQTT协议创始人之一）在家中实现的远程监控和自动化。

2.mosquitto安装方法一

这里采用树苺派4来安装mosquitto包。

2.1 安装mosquitto包

安装前先：

sudo apt-get update

接着安装包

sudo apt-get install mosquitto

直接输入y，enter

2.2 mosquitto开发包

sudo apt-get install libmosquitto-dev

2.3 mosquitto客户端

sudo apt-get install mosquitto-clients

2.4 查看mosquitto

sudo service mosquitto status

3.测试

3.1 本机测试

直接Ctrl+Alt+T，打开一个终端，启动mosquitto：

mosquitto -v

mosquitto的默认端口是1883，可以看到mosquitto运行正常

接着再开一个终端，模拟一个消息订阅者：

mosquitto_sub -t emqtt/actorcloud

再开一个终端，模拟一个消息发布者：

mosquitto_pub -t emqtt/actorcloud -m "Hello, MQTT"

可以看到，在上一个订阅者终端收到发布者消息

3.2 网络测试

用win10上通信猫测试，这里win10和树苺派在同一个局域网下，win10的ip地址，输入ipconfig/all 查看

查看安装有mosquitto的树莓派ip地址，输入ifconfig

在win10上打开通信猫，下载地址：http://tongxinmao.com/upload/COMNET.exe

切换到“网络”，再选择“MQTT”
填入MQTT服务器地址，即树莓派地址：192.168.43.3
勾选启用，显示区会显示连接成功提示。

再打开一个通信猫，也是上面服务器配置。

在一个通信猫中，订阅主题，如“123”，点击订阅主题
在另一个中，发布主题，“123”，点击发布消息。可以看到接收成功。


至此，MQTT服务器搭建完毕~

Reference:
1.https://www.runoob.com/w3cnote/mqtt-intro.html
2.https://blog.youkuaiyun.com/github_33304260/article/details/73562071
3.https://blog.youkuaiyun.com/x_qingh/article/details/87255290
4.http://mqtt.org/