MQTT 快速體驗

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時間 2022-09-12 13:20:48 EMQ部落格

主題: MQTT

全球物聯網正在高速發展，專門針對低頻寬和不穩定網路環境的物聯網應用設計的 MQTT 協議也因此得到廣泛應用。

MQTT 是一種基於釋出/訂閱模式輕量級訊息傳輸協議，具有簡單易實現、支援 QoS、報文小等特點，非常適用於工業網際網路、車聯網、智慧硬體、電力能源等領域。

本文將通過講解與演示向讀者展示 MQTT 協議的入門使用流程，物聯網及 MQTT 初學者可以通過本文以更簡單的方式理解 MQTT 相關概念，快速開始 MQTT 服務及應用的開發。

MQTT 連線

在使用 MQTT 協議進行通訊之前，需要先建立一個 MQTT 連線，連線由客戶端向伺服器端發起。

MQTT 客戶端

任何運行了 MQTT 客戶端庫的程式或裝置都是一個 MQTT 客戶端，例如：使用了 MQTT 的即時通訊 APP 是一個客戶端，使用 MQTT 上報資料的各種感測器裝置是一個客戶端，以及各種 MQTT 測試工具也是一個客戶端。

目前，基本所有的程式語言都有成熟的開源 MQTT 客戶端庫，讀者可參考 EMQ 整理的MQTT 客戶端庫大全選擇一個合適的客戶端庫來構建滿足自身業務需求的 MQTT 客戶端。也可直接訪問 EMQ 提供的MQTT 客戶端程式設計系列部落格，學習如何在 Java、Python、PHP、Node.js 等程式語言中使用 MQTT。

本次演示我們將使用由 MQTT X 提供的支援瀏覽器訪問的線上 MQTT 客戶端： http://www.emqx.io/online-mqtt-client 。MQTT X 是目前開源客戶端中 GitHub Star 數最多的，它同時也提供了桌面客戶端（ https://mqttx.app/zh ）與命令列客戶端（ https://mqttx.app/zh/cli ），感興趣的讀者可自行下載使用。

MQTT 伺服器

MQTT 伺服器負責接收客戶端發起的連線，並將客戶端傳送的訊息轉發到另外一些符合條件的客戶端。一個成熟的 MQTT 伺服器可支援海量的客戶端連線及百萬級的訊息吞吐，幫助物聯網業務提供商專注於業務功能並快速建立一個可靠的 MQTT 應用。

MQTT 伺服器一般有私有部署、全託管雲服務、公共線上三種形式。

私有部署需要自行搭建與維護伺服器，適合接入量較大、且有技術團隊支援的公司。

讀者若是希望搭建私有 MQTT 伺服器進行測試，可執行如下 Docker 命令直接安裝 EMQX 開源版。
```
docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx
```
也可參考部落格如何在 Ubuntu 上安裝 EMQX MQTT 伺服器進行安裝。
全託管雲服務免除了企業維護基礎設施的負擔，簡單幾步就能輕鬆開啟 MQTT 服務。如下圖，EMQX Cloud 支援按連線建立 MQTT 服務，且可選擇部署在多個雲平臺。
公共的線上伺服器一般由各個 MQTT 伺服器的所屬商業公司所提供，主要用來做 MQTT 流程測試。

本次演示我們將使用由 EMQ 提供的公共 MQTT 伺服器，該伺服器基於全託管的 MQTT 雲服務 - EMQX Cloud 建立，伺服器資訊如下：

broker.emqx.io
1883
8083

建立連線

接下來我們開始正式建立一個 MQTT 連線，使用瀏覽器訪問 http://www.emqx.io/online-mqtt-client ，然後點選頁面中間的 New Connection 按鈕，將會看到如下頁面。

各個連線的引數的意義如下：

Name ：為該線上客戶端特有，只是一個區分不同連線的名稱，與連線的建立無關係。使用程式碼連線時沒有該引數。
Client ID ：服務端使用 Client ID 識別客戶端，連線服務端的每個客戶端都必須要有唯一的 Client ID。
Host ：為連線的伺服器地址及協議，協議一般有 4 種：基於普通 TCP 的 MQTT、基於 SSL/TLS 的 MQTT、基於 WebSocket 的 MQTT，基於加密 WebSocket 的 MQTT。本文使用的線上工具基於瀏覽器執行，所以只能選擇 ws 或 wss 協議。
Port ：連線的伺服器埠。
Path ：選 ws 或 wss 協議時需要填寫，EMQX 伺服器預設為 /mqtt 。
Username，Password ：MQTT 可以通過傳送使用者名稱和密碼來進行相關的認證和授權，但是，如果此資訊未加密，則使用者名稱和密碼是以明文的方式傳送的。
Connect Timeout ：連線超時時間，連線在多少秒內未成功則不再繼續連線。
Keep Alive ：保活週期，是一個以秒為單位的時間間隔。客戶端在無報文傳送時，將按 Keep Alive 設定的值定時向服務端傳送心跳報文，確保連線不被服務端斷開。更多細節可檢視部落格： MQTT 協議中的 Keep Alive 機制。
Clean Session ：清除會話，為 false 時表示建立一個持久會話，在客戶端斷開連線時，會話仍然保持並儲存離線訊息，直到會話超時登出。否則表示建立一個新的臨時會話，在客戶端斷開時，會話自動銷燬。
Auto Reconnect ：自動重連，幾乎所有客戶端庫都實現了自動重連。如果設定了自動重連，當網路不佳連線被斷開後，客戶端將自動重新發起連線。
MQTT Version ：MQTT 版本，建議使用 5.0。MQTT 5.0 是為適應迅速增長的裝置數量與企業需求而全面更新的一個版本，其在 3.1.1 版本基礎上增加了會話/訊息延時、原因碼、主題別名、使用者屬性、共享訂閱等更加符合現代物聯網應用需求的特性。更多 MQTT 5.0 詳細資訊可檢視 EMQ 提供的MQTT 5.0 專題系列文章。

我們在 Name 裡輸入 Simple Demo ，並點選右上角的 Connect 按鈕即可建立一個 MQTT 連線，如下表示連線建立成功。

釋出與訂閱

連線成功後，客戶端就能進行訊息的收發，在訊息收發前我們需要先理解發布/訂閱模式。

釋出/訂閱模式

釋出訂閱模式區別於傳統的客戶端-伺服器模式，它使傳送訊息的客戶端（釋出者）與接收訊息的客戶端（訂閱者）分離，釋出者與訂閱者不需要建立直接聯絡。我們既可以讓多個釋出者向一個訂閱者釋出訊息，也可以讓多個訂閱者同時接收一個釋出者的訊息，它的精髓在於由一個被稱為代理（MQTT 伺服器）的中間角色負責所有訊息路由和分發的工作。

下圖為 MQTT 的釋出/訂閱流程：溫度感測器作為一個客戶端連線至 MQTT 伺服器後，即可向某個主題（比如 Temperature ）釋出溫度訊息，伺服器收到該訊息後會將訊息轉發至訂閱了 Temperature 主題的客戶端（比如下圖的手機、瀏覽器等應用）。

主題（Topic）

MQTT 協議基於主題進行訊息路由，主題類似 URL 路徑，例如：

chat/room/1

sensor/10/temperature

sensor/+/temperature

主題通過 / 分割層級，支援 + ， # 萬用字元:

+ ：表示通配一個層級，例如 a/+ 匹配 a/x ， a/y
# ：表示通配多個層級，例如 a/# 匹配 a/x ， a/b/c/d

更多關於 MQTT 主題的介紹可檢視部落格：MQTT 主題的高階特性。

訊息服務質量（QoS）

MQTT 協議提供了 3 種訊息服務質量等級（Quality of Service），它保證了在不同的網路環境下訊息傳遞的可靠性。

QoS 0：訊息最多傳遞一次。

如果當時客戶端不可用，則會丟失該訊息。釋出者傳送一條訊息之後，就不再關心它有沒有傳送到對方，也不設定任何重發機制。
QoS 1：訊息傳遞至少 1 次。

包含了簡單的重發機制，釋出者傳送訊息之後等待接收者的 ACK，如果沒收到 ACK 則重新發送訊息。這種模式能保證訊息至少能到達一次，但無法保證訊息重複。
QoS 2：訊息僅傳送一次。

設計了重發和重複訊息發現機制，保證訊息到達對方並且嚴格只到達一次。

更多關於 MQTT QoS 的介紹可檢視部落格： MQTT QoS 服務質量介紹。

訂閱主題

接下來我們模擬溫度感測器場景，在之前建立的 Simple Demo 連線裡訂閱所有的溫度感測器上報的溫度資料，即訂閱萬用字元主題 sensor/+/temperature 。

如下圖，點選按鈕 New Subscription ，在彈出框的 Topic 下面輸入主題 sensor/+/temperature ，QoS 保持預設 0 不變。

Color 欄位可修改訂閱標籤的顏色，Alias 欄位可修改訂閱主題的顯示名稱。這兩個欄位為該線上客戶端特有，使用程式碼連線時無此引數。

訂閱成功後即可看到中間的訂閱列表裡多了一條記錄。

釋出訊息

接下來我們點選最左側的 + 按鈕分別建立 Sensor 1 和 Sensor 2 兩個連線，模擬兩個溫度感測器。

連線建立好後如下圖所示，將會看到 3 個連線，並且連線左側的線上狀態圓點都為綠色（綠色說明連線成功）。

選中 Sensor 1 連線，在頁面右下部分輸入釋出主題 sensor/1/temperature ，訊息框內輸入如下 JSON 格式訊息，並點選右側最底部的釋出按鈕傳送訊息。

{
  "msg": "17.2"
}

如下表示訊息傳送成功。

使用同樣的步驟，在 Sensor 2 連線裡向 sensor/2/temperature 主題釋出如下 JSON 訊息。

{
  "msg": "18.2"
}

將會看到 Simple Demo 連線收到 2 條新訊息。

點選 Simple Demo 連線，將會看到兩個感測器傳送的兩條訊息。

MQTT 重要特性演示

保留訊息（Retained Message）

MQTT 客戶端向伺服器釋出訊息時，可以設定保留訊息標誌。一個主題下最新一條保留訊息會駐留在訊息伺服器，後來的訂閱者訂閱主題時仍可以接收該訊息。

如下圖，我們在 Sensor 1 連線裡向 retained_message 主題傳送兩條不一樣的訊息，且傳送訊息時勾選 Retain 選項。

然後，我們再在 Simple Demo 連線裡訂閱 retained_message 主題，訂閱成功後將會收到 Sensor 1 傳送的第二條保留訊息，由此可見伺服器只會儲存一個主題下最後一條保留訊息。

清除會話（Clean Session）

一般情況下 MQTT 客戶端僅能接收到線上時其他客戶端釋出的訊息，如果客戶端離線再上線後將收不到離線期間的訊息。但是當客戶端使用固定的 Client ID，且連線引數 Clean Session 為 false 時，客戶端離線後訊息伺服器可以為客戶端保持一定量的離線訊息，並在客戶端再次上線後傳送給客戶端（且為客戶端恢復下線前的訂閱資訊）。

本次演示使用的公共 MQTT 伺服器設定的離線訊息儲存時間為 5 分鐘，最大訊息數為 1000 條，且不儲存 QoS 0 訊息。接下來我們建立一個 MQTT 3.1.1 版本的連線，並驗證 QoS 1 情況下的離線會話。

MQTT 5 中使用 Clean Start 與 Session Expiry Interval 改進了 Clean Session，詳情可檢視部落格： Clean Start 與 Session Expiry Interval 。

如下圖，建立一個名為 MQTT V3 的連線，Clean Session 設定為 false，MQTT 版本選擇 3.1.1。

連線成功後訂閱 clean_session_false 主題，且 QoS 設定為 1。

訂閱成功後，點選右上角的斷開連線按鈕。

接下來建立一個名為 MQTT_V3_Publish 的連線，MQTT 版本同樣設定為 3.1.1，連線成功後向 clean_session_false 主題釋出三條訊息。

然後選中 MQTT_V3 連線，點選連線按鈕連線至伺服器，將會成功接收到 3 條離線期間的訊息。

遺囑訊息（Last Will）

MQTT 客戶端向伺服器發起連線請求時，可以設定是否傳送遺囑訊息（Will Message）標誌，和遺囑訊息主題（Topic）與內容（Payload）。設定了遺囑訊息訊息的 MQTT 客戶端異常下線時（客戶端斷開前未向伺服器傳送 DISCONNECT 訊息），MQTT 訊息伺服器會發布該客戶端設定的遺囑訊息。

更多關於遺囑訊息的介紹可檢視部落格： MQTT 遺囑訊息（Will Message）的使用。

如下圖，我們建立一個名為 Last Will 的連線。

last_will
1
true
offline

連線成功後，我們斷開電腦網路 5 秒鐘以上（模擬客戶端異常下線），再開啟網路。然後啟動 Simple Demo 連線，並訂閱 last_will 主題，將會收到 Last Will 連線設定的遺囑訊息。

至此，我們完成了對 MQTT 相關基礎概念及其使用流程的講解與演示，讀者可以根據本文所學嘗試上手使用 MQTT 協議。接下來讀者可訪問 EMQ 提供的MQTT 客戶端程式設計系列部落格，學習如何在 Java、Python、PHP、Node.js 等程式語言中使用 MQTT，開始 MQTT 應用及服務開發，探索 MQTT 的更多高階應用。

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