基于python实现MQTT发布订阅过程原理解析

MQTT简介

MQTT 全称为 Message Queuing Telemetry Transport（消息队列遥测传输）是一种基于发布/订阅范式的“轻量级”消息协议。该协议构建于TCP/IP协议上。

MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。

其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT特点

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。该协议需要客户端和服务端，而协议中主要有三种身份：发布者（Publisher）、代理（Broker，服务器）、订阅者（Subscriber）。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，而消息发布者可以同时是订阅者，实现了生产者与消费者的脱耦；

2、对负载内容屏蔽的消息传输；

3、使用 TCP/IP 提供网络连接；

4、有三种消息发布服务质量：

• “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。
• “至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
• “只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。
  

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；

6、使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

原理

MQTT协议有三种身份：发布者、代理、订阅者，发布者和订阅者都为客户端，代理为服务器，同时消息的发布者也可以是订阅者（为了节约内存和流量发布者和订阅者一般都会定义在一起）。

MQTT传输的消息分为主题（Topic，可理解为消息的类型，订阅者订阅后，就会收到该主题的消息内容（payload））和负载（payload，可以理解为消息的内容）两部分。

1.MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，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：

（1）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）；

（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

2.网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。

当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

3.MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

（1）发布其他客户端可能会订阅的信息；

（2）订阅其它客户端发布的消息；

（3）退订或删除应用程序的消息；

（4）断开与服务器连接。

4.MQTT服务端

MQTT服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

（1）接受来自客户的网络连接；

（2）接受客户发布的应用信息；

（3）处理来自客户端的订阅和退订请求；

（4）向订阅的客户转发应用程序消息。

5.MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

二、会话（Session）

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

三、主题名（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

四、主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

五、负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。

6.MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

（1）Connect。等待与服务器建立连接。

（2）Disconnect。等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。

（3）Subscribe。等待完成订阅。

（4）UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。

（5）Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

7.应用场景

因为它传输消息具有异步性（发布订阅模式），同时该协议本身的轻量特定，因此可用于轻量级应用，

可作为物联网的通信组件使用，例如树莓派上完全可以搭建一个mqtt服务器，当未来智能家居全面普及的时候，

家居中的消息通讯都可用此实现，如智能冰箱温度检测，房间温度检测等信息都能通过mqtt去实现，遥感数据、

汽车检测数据、智能家居、智慧城市、医疗医护都具有应用场景。

客户端

#!/usr/bin/env python 
# encoding: utf-8 
""" 
@version: v1.0 
@author: W_H_J 
@license: Apache Licence 
@contact: [email protected] 
@software: PyCharm 
@file: clicentMqttTest.py 
@time: 2019/2/22 14:19 
@describe: mqtt客户端
"""
import json
import sys
import os
import paho.mqtt.client as mqtt
import time
 
sys.path.append(os.path.abspath(os.path.dirname(__file__) + '/' + '..'))
sys.path.append("..")
 
TASK_TOPIC = 'test' # 客户端发布消息主题
 
client_id = time.strftime('%Y%m%d%H%M%S', time.localtime(time.time()))
"""
client_id是连接到代理。如果client_id的长度为零或为零，则行为为由使用的协议版本定义。如果使用MQTT v3.1.1，
那么一个零长度的客户机id将被发送到代理，代理将被发送为客户端生成一个随机变量。如果使用MQTT v3.1，那么id将是
随机生成的。在这两种情况下，clean_session都必须为True。如果这在这种情况下不会产生ValueError。
注意：一般情况下如果客户端服务端启用两个监听那么客户端client_id 不能与服务器相同，如这里用时间"20190222142358"作为它的id，
如果与服务器id相同，则无法接收到消息
"""
client = mqtt.Client(client_id, transport='tcp')
 
client.connect("127.0.0.1", 1883, 60) # 此处端口默认为1883，通信端口期keepalive默认60
client.loop_start()
 
 
def clicent_main(message: str):
  """
  客户端发布消息
  :param message: 消息主体
  :return:
  """
  time_now = time.strftime('%Y-%m-%d %H-%M-%S', time.localtime(time.time()))
  payload = {"msg": "%s" % message, "data": "%s" % time_now}
  # publish(主题：Topic; 消息内容)
  client.publish(TASK_TOPIC, json.dumps(payload, ensure_ascii=False))
  print("Successful send message!")
  return True
if __name__ == '__main__':
  msg = "我是一条测试数据！"
  clicent_main(msg)
client

服务端

#!/usr/bin/env python 
# encoding: utf-8 
""" 
@version: v1.0 
@author: W_H_J 
@license: Apache Licence 
@contact: [email protected] 
@software: PyCharm 
@file: serverMqttTest.py 
@time: 2019/2/22 14:35 
@describe: mqtt 服务端
"""
import json
import sys
import os
import time
import paho.mqtt.client as mqtt
sys.path.append(os.path.abspath(os.path.dirname(__file__) + '/' + '..'))
sys.path.append("..")
 
REPORT_TOPIC = 'test' # 主题
 
 
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
  print('connected to mqtt with resurt code ', rc)
  client.subscribe(REPORT_TOPIC) # 订阅主题
 
 
def on_message(client, userdata, msg):
  """
  接收客户端发送的消息
  :param client: 连接信息
  :param userdata: 
  :param msg: 客户端返回的消息
  :return: 
  """
  print("Start server!")
  payload = json.loads(msg.payload.decode('utf-8'))
  print(payload)
 
 
def server_conenet(client):
  client.on_connect = on_connect # 启用订阅模式
  client.on_message = on_message # 接收消息
  client.connect("127.0.0.1", 1883, 60) # 链接
  # client.loop_start()  # 以start方式运行，需要启动一个守护线程，让服务端运行，否则会随主线程死亡
  client.loop_forever()  # 以forever方式阻塞运行。
 
 
def server_stop(client):
  client.loop_stop() # 停止服务端
  sys.exit(0)
 
 
def server_main():
  client_id = time.strftime('%Y%m%d%H%M%S', time.localtime(time.time()))
  client = mqtt.Client(client_id, transport='tcp')
  server_conenet(client)
 
 
if __name__ == '__main__':
  # 启动监听
  server_main()

server

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。