物聯網協議MQTT(JAVA實現)

概述

MQTT是IBM開發的一個即時通訊協議，有可能成爲物聯網的重要組成部分。該協議支持所有平臺，幾乎可以把所有聯網物品和外部連接起來，被用來當做傳感器和制動器之間通信的橋樑。

MQTT協議是爲大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議。有以下特點：

使用發佈/訂閱消息模式，提供一對多的消息發佈
使用TCP/IP提供網絡連接
小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是 2 字節），協議交換最小化，以降低網絡流量，傳輸的內容最大爲256MB。
使用 Last Will 和 Testament 特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。

協議格式

MQTT協議控制報文的格式包含以下三個部分，以固定報頭，可變報頭和有效載荷，其中固定報文頭是所有的控制報文都有，可變報頭和有效載荷都是部分控制報文包含。

固定報頭

固定報頭是由兩字節組成，其格式組成如下:

控制報文類型

第一個字節的二進制位7-4無符號整數表示控制報文的類型，具體類型對應的值爲

標誌

第一個字節的二進制位3-0包含每個MQTT控制報文類型特定的標誌，控制報文中的標誌爲必須按照如下表格進行設置，如果設置有問題，則接收者必須斷開連接。

剩餘長度

第二個字節表示當前報文剩餘部分的字節數，包括可變報頭和有效載荷。剩餘長度不包括用於編碼剩餘長度字段本身的字節數。剩餘長度字段使用一個變長度編碼方案，對小於128的值使用單字節編碼，超過128的值，最高有效未用於指示是否有更多的字節，因此每個字節可以編碼128個數值和一個延續位，剩餘長度字段最大4個字節。舉例：十進制64被編碼爲一個字節，十六進制表示爲Ox40。十進制數字321編碼爲兩個字節，最低有效位在前，第一個字節65+128=193，第二個字節爲2。剩餘長度最大爲256M的報文，而且報文是不支持分包處理的，所以MQTT協議並不適合一些數據量特別大的場景，比如視頻直播等數據包比較大的場景。

可變報頭

可變報頭介於固定報頭和有效載荷中間。不同的控制報文有着不同的可變報頭，其中PacketId是一個在多個控制報文中存在一個報文。 PacketId包含兩個字節，現在包含該字段的控制報文有，PUBLISH(Qos>0), PUBACK, PUBREC, PUBREL,PUBCOMP,SUBSCRIBE,SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK。

具體包含情況如下:

有效荷載

有效載荷即爲應用消息。

實現方式

MQTT系統由與服務器通信的客戶端組成，通常稱服務器爲“代理Broker”。客戶可以是信息發佈者Publish或訂閱者Subscribe。每個客戶端都可以連接到代理。

信息按主題層次結構組織。當發佈者具有要分發的新數據時，它會將包含數據的控制消息發送到連接的代理。然後，代理將信息分發給已訂閱該主題的任何客戶端。發佈者不需要有關於訂閱者數量或位置的任何數據，而訂閱者又不必配置有關發佈者的任何數據。

MQTT傳輸的消息分爲：主題（Topic）和負載（payload）兩部分：（1）Topic，可以理解爲消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）後，就會收到該主題的消息內容（payload）；（2）payload，可以理解爲消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

MQTT協議中的術語

訂閱（Subscription）

訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

會話（Session）

每個客戶端與服務器建立連接後就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態交互。會話存在於一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。

主題名（Topic Name）

連接到一個應用程序消息的標籤，該標籤與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發送給訂閱所匹配標籤的每個客戶端。系統主題：通過定義$SYS開頭的主題可以查看一些系統信息，如客戶端連接數量等，詳細介紹：github.com/mqtt/mqtt.g…

主題篩選器（Topic Filter）

一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。多級匹配符 # 單級匹配符 + 更多主題討論，請移步github wiki github.com/mqtt/mqtt.g…

負載（Payload）

消息訂閱者所具體接收的內容。

保留消息和最後遺囑

保留消息 Retained Messages

MQTT中，無論是發佈還是訂閱都不會有任何觸發事件。 1個Topic只有唯一的retain消息，Broker會保存每個Topic的最後一條retain消息。發佈消息時把retain設置爲true，即爲保留信息。每個Client訂閱Topic後會立即讀取到retain消息。如果需要刪除retain消息，可以發佈一個空的retain消息，因爲每個新的retain消息都會覆蓋最後一個retain消息。

最後遺囑 Last Will & Testament

MQTT本身就是爲信號不穩定的網絡設計的，所以難免一些客戶端會無故的和Broker斷開連接。當客戶端連接到Broker時，可以指定LWT，Broker會定期檢測客戶端是否有異常。當客戶端異常掉線時，Broker就往連接時指定的topic裏推送當時指定的LWT消息。

消息服務質量

至多一次

消息發佈完全依賴底層TCP/IP網絡。會發生消息丟失或重複。這一級別可用於如下情況，環境傳感器數據，丟失一次讀記錄無所謂，因爲不久後還會有第二次發送

至少一次

PUBACK消息是對QoS級別爲1的PUBLISH消息的響應.PUBACK消息由服務器發送以響應來自發布端的PUBLISH消息，訂閱端也會響應來自服務器的PUBLISH消息。當發佈端收到PUBACK消息時，它會丟棄原始消息，因爲它也被服務器接收（並記錄）。

如果一定時間內，發佈端或服務器沒有收到PUBACK消息，則會進行重發。這種方式雖然確保了消息到達，但消息重複可能會發生。

只有一次

PUBREC消息是對QoS級別爲2的PUBLISH消息的響應。它是QoS級別2協議流的第二個消息。 PUBREC消息由服務器響應來自發布端的PUBLISH消息，或訂閱端響應來自服務器的PUBLISH消息。發佈端或服務器收到PUBREC消息時，會響應PUBREL消息。

PUBREL消息是從發佈端對PUBREC的響應，或從服務器對訂閱端PUBREC消息的響應。這是QoS 2協議流中第三個消息。當服務器從發佈者收到PUBREL消息時，服務器會將PUBLISH消息發送到訂閱端，併發送PUBCOMP消息到發佈端。當訂閱端收到來自服務器的消息PUBREL時，使得消息可用於應用程序並將PUBCOMP消息發送到服務器。

PUBCOMP消息是服務器對來自發布端的PUBREL消息的響應，或訂閱者對來自服務器的PUBREL消息的響應。它是QoS 2協議流程中的第四個也是最後一個消息。當發佈端收到PUBCOMP消息時，它會丟棄原始消息，因爲它已經將消息發給了服務器。

在一些要求比較嚴格的計費系統中，可以使用此級別。在計費系統中，消息重複或丟失會導致不正確的結果。這種最高質量的消息發佈服務還可以用於即時通訊類的APP的推送，確保用戶收到且只會收到一次。

最後我們上代碼（服務器端)

/**
 * Created by Administrator on 17-2-10.
 */

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttDeliveryToken;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttPersistenceException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttTopic;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
/**
 *
 * Title:Server
 * Description: 服務器向多個客戶端推送主題，即不同客戶端可向服務器訂閱相同主題
 * @author admin
 * 2019年12月8日下午17:50:15
 */
public class ServerMQTT {

    //tcp://MQTT安裝的服務器地址:MQTT定義的端口號
    public static final String HOST = "tcp://0.0.0.0:61613";
    //定義一個主題
    public static final String TOPIC = "topic11";
    //定義MQTT的ID，可以在MQTT服務配置中指定
    private static final String clientid = "server11";

    private MqttClient client;
    private MqttTopic topic11;
    private String userName = "admin";
    private String passWord = "password";

    private MqttMessage message;

    /**
     * 構造函數
     * @throws MqttException
     */
    public ServerMQTT() throws MqttException {
        // MemoryPersistence設置clientid的保存形式，默認爲以內存保存
        client = new MqttClient(HOST, clientid, new MemoryPersistence());
        connect();
    }

    /**
     *  用來連接服務器
     */
    private void connect() {
        MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
        options.setCleanSession(false);
        options.setUserName(userName);
        options.setPassword(passWord.toCharArray());
        // 設置超時時間
        options.setConnectionTimeout(10);
        // 設置會話心跳時間
        options.setKeepAliveInterval(20);
        try {
            client.setCallback(new PushCallback());
            client.connect(options);

            topic11 = client.getTopic(TOPIC);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     *
     * @param topic
     * @param message
     * @throws MqttPersistenceException
     * @throws MqttException
     */
    public void publish(MqttTopic topic , MqttMessage message) throws MqttPersistenceException,
            MqttException {
        MqttDeliveryToken token = topic.publish(message);
        token.waitForCompletion();
        System.out.println("message is published completely! "
                + token.isComplete());
    }

    /**
     *  啓動入口
     * @param args
     * @throws MqttException
     */
    public static void main(String[] args) throws MqttException {
        ServerMQTT server = new ServerMQTT();

        server.message = new MqttMessage();
        server.message.setQos(1);
        server.message.setRetained(true);
        server.message.setPayload("hello,topic11".getBytes());
        server.publish(server.topic11 , server.message);
        System.out.println(server.message.isRetained() + "------ratained狀態");
    }
}

客服端

/**
 *
 * Description:
 * @author admin
 * 2019年12月8日下午17:50:15
 */

import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttTopic;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;

public class ClientMQTT {

    public static final String HOST = "tcp://0.0.0.0:61613";
    public static final String TOPIC = "topic11";
    private static final String clientid = "client11";
    private MqttClient client;
    private MqttConnectOptions options;
    private String userName = "admin";
    private String passWord = "password";

    private ScheduledExecutorService scheduler;

    private void start() {
        try {
            // host爲主機名，clientid即連接MQTT的客戶端ID，一般以唯一標識符表示，MemoryPersistence設置clientid的保存形式，默認爲以內存保存
            client = new MqttClient(HOST, clientid, new MemoryPersistence());
            // MQTT的連接設置
            options = new MqttConnectOptions();
            // 設置是否清空session,這裏如果設置爲false表示服務器會保留客戶端的連接記錄，這裏設置爲true表示每次連接到服務器都以新的身份連接
            options.setCleanSession(true);
            // 設置連接的用戶名
            options.setUserName(userName);
            // 設置連接的密碼
            options.setPassword(passWord.toCharArray());
            // 設置超時時間 單位爲秒
            options.setConnectionTimeout(10);
            // 設置會話心跳時間 單位爲秒 服務器會每隔1.5*20秒的時間向客戶端發送個消息判斷客戶端是否在線，但這個方法並沒有重連的機制
            options.setKeepAliveInterval(20);
            // 設置回調
            client.setCallback(new PushCallback());
            MqttTopic topic = client.getTopic(TOPIC);
            //setWill方法，如果項目中需要知道客戶端是否掉線可以調用該方法。設置最終端口的通知消息
            options.setWill(topic, "close".getBytes(), 2, true);

            client.connect(options);
            //訂閱消息
            int[] Qos  = {1};
            String[] topic1 = {TOPIC};
            client.subscribe(topic1, Qos);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws MqttException {
        ClientMQTT client = new ClientMQTT();
        client.start();
    }
}

回滾代碼

/**
 *
 * Description:
 * @author admin
 * 2019年12月8日下午17:50:15
 */

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.IMqttDeliveryToken;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttCallback;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;

/**
 * 發佈消息的回調類
 *
 * 必須實現MqttCallback的接口並實現對應的相關接口方法CallBack 類將實現 MqttCallBack。
 * 每個客戶機標識都需要一個回調實例。在此示例中，構造函數傳遞客戶機標識以另存爲實例數據。
 * 在回調中，將它用來標識已經啓動了該回調的哪個實例。
 * 必須在回調類中實現三個方法：
 *
 *  public void messageArrived(MqttTopic topic, MqttMessage message)接收已經預訂的發佈。
 *
 *  public void connectionLost(Throwable cause)在斷開連接時調用。
 *
 *  public void deliveryComplete(MqttDeliveryToken token))
 *  接收到已經發布的 QoS 1 或 QoS 2 消息的傳遞令牌時調用。
 *  由 MqttClient.connect 激活此回調。
 *
 */
public class PushCallback implements MqttCallback {

    public void connectionLost(Throwable cause) {
        // 連接丟失後，一般在這裏面進行重連
        System.out.println("連接斷開，可以做重連");
    }

    public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
        System.out.println("deliveryComplete---------" + token.isComplete());
    }

    public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
        // subscribe後得到的消息會執行到這裏面
        System.out.println("接收消息主題 : " + topic);
        System.out.println("接收消息Qos : " + message.getQos());
        System.out.println("接收消息內容 : " + new String(message.getPayload()));
    }
}

服務端控臺信息

客戶端信息

web頁面後臺信息

topic創建成功

測試成功

物聯網協議MQTT(JAVA實現)

概述

協議格式

實現方式

MQTT協議中的術語

保留消息和最後遺囑

消息服務質量

centos7下安裝CDH5.12集羣

Centos7安裝ElasticSearch5.6集羣

Flask+echarts可視化未來一周天氣變化情況

2020年新冠疫情對IT行業的影響

大學這三年的收穫及總結

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結