Linux编程MQTT实现主题发布订阅

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MQTT通信协议(mosquitto)在Linux上的环境构建与测试
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物联网从云到端实战开发

参考：【物联网云端项目实战】物联网从云到端实战开发（附课程资料&项目源码）
地址：https://www.bilibili.com/video/BV1hf4y1b731?p=10&spm_id_from=pageDriver

实现功能技术介绍

​ 物联网通信技术流程图

​ 上图中的物联网通信环境包括以太网、Wi-Fi、RFID、NFC、ZigBee、6LoWPAN，蓝牙、GSM、GPRS、3G、4G等。

​ 每种通信的应用协议都有到一定的适用范围，AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太网，COAP协议是专门为资源受限设备开发的协议，而DDS和MQTT兼容性是最强的，下面逐一介绍各类通信协议的特点。

REST/HTTP

适用范围：

• REST/HTTP主要为了简化互联网中的系统架构，快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合，降低了客户端和服务器之间的交互延迟。因此适合在物联网的应用层面，通过REST开放物联网中资源，实现服务被其他应用所调用。

特点：

• REST 指的是一组架构约束条件和原则。

• 客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的。

• 在服务器端，应用程序状态和功能可以分为各种资源，它向客户端公开，每个资源都使用 URI 得到一个唯一的地址。所有资源都共享统一的界面，以便在客户端和服务器之间传输状态。

• 使用的是标准的 HTTP 方法，比如：GET、PUT、POST 和 DELETE。

• REST/HTTP其实是互联网中服务调用API封装风格，物联网中数据采集到物联网应用系统中，在物联网应用系统中，可以通过开放REST API的方式，把数据服务开放出去，被互联网中其他应用所调用。

CoAP（Constrained Application Protocol）

适用范围：

​ CoAP是简化了HTTP协议的RESTful API，CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议，它适用于在资源受限的通信的IP网络。

特点：

• 报头压缩：CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4Bit的基本报头，基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10～20Bit。

• 方法和URIs：为了实现客户端访问服务器上的资源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP还支持URIs，这是Web架构的主要特点。

• 传输层使用UDP协议：CoAP协议是建立在UDP协议之上，以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。

• 支持资源发现：为了自主的发现和使用资源，它支持内置的资源发现格式，用于发现设备上的资源列表，或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持RFC5785中的格式，在CoRE中用／．well—known／core的路径表示资源描述。

• 支持缓存：CoAP协议支持资源描述的缓存以优化其性能。

CoAP和6LowPan，这分别是应用层协议和网络适配层协议，其目标是解决设备直接连接到IP网络，也就是IP技术应用到设备之间、互联网与设备之间的通信需求。因为IPV6技术带来巨大寻址空间，不光解决了未来巨量设备和资源的标识问题，互联网上应用可以直接访问支持IPV6的设备，而不需要额外的网关。

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )

适用范围：

​ 在低带宽、不可靠的网络下提供基于云平台的远程设备的数据传输和监控。

​ MQTT协议一般适用于设备数据采集到端（Device-》Server，Device-》Gateway），集中星型网络架构（hub-and-spoke），不适用设备与设备之间通信，设备控制能力弱，另外实时性较差，一般都在秒级。

特点：

• 使用基于代理的发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布
• 使用 TCP/IP 提供网络连接
• 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
• 支持QoS，有三种消息发布服务质量：“至多一次”， “至少一次”， “只有一次”

DDS协议(Data Distribution Service for Real-Time Systems)

适用范围：

分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。目前DDS已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域。

特点：

• 以数据为中心

• 使用无代理的发布/订阅消息模式，点对点、点对多、多对多

• 提供多大21种QoS服务质量策略

协议主要实现：

• OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现
• OpenSplice DDS

DDS很好地支持设备之间的数据分发和设备控制，设备和云端的数据传输，同时DDS的数据分发的实时效率非常高，能做到秒级内同时分发百万条消息到众多设备。DDS在服务质量（QoS）上提供非常多的保障途径，这也是它适用于国防军事、工业控制这些高可靠性、可安全性应用领域的原因。但这些应用都工作在有线网络下，在无线网络，特别是资源受限的情况下，没有见到过实施案例。

AMQP协议(互操作性)

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)，先进消息队列协议，用于业务系统例如PLM，ERP，MES等进行数据交换。

适用范围：

最早应用于金融系统之间的交易消息传递，在物联网应用中，主要适用于移动手持设备与后台数据中心的通信和分析。

特点：

• Wire级的协议，它描述了在网络上传输的数据的格式，以字节为流

• 面向消息、队列、路由（包括点对点和发布/订阅）、可靠性、安全

协议实现：

· Erlang中的实现有 RabbitMQ

· AMQP的开源实现，用C语言编写OpenAMQ

· Apache Qpid

· stormMQ

XMPP协议(即时通信)

​ XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)可扩展通讯和表示协议，一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。

适用范围：

即时通信的应用程序，还能用在网络管理、游戏、远端系统监控等。

特点：

• 客户机/服务器通信模式

• 分布式网络

• 简单的客户端，将大多数工作放在服务器端进行

• 标准通用标记语言的子集XML的数据格式

XMPP是基于XML的协议，由于其开放性和易用性，在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP，XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的，开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程，相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。

JMS

JMS (Java Message Service)，即消息服务，这是JAVA平台中著名的消息队列协议。

Java消息服务应用程序接口，是一个Java平台中关于面向消息中间件(MOM)的API，用于在两个应用程序之间，或分布式系统中发送消息，进行异步通信。Java消息服务是一个与具体平台无关的API，绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持。

JMS是一种与厂商无关的 API，用来访问消息收发系统消息，它类似于JDBC（Java Database Connectivity）。这里，JDBC 是可以用来访问许多不同关系数据库的 API，而 JMS 则提供同样与厂商无关的访问方法，以访问消息收发服务。许多厂商都支持 JMS，包括 IBM 的 MQSeries、BEA的 Weblogic JMS service和 Progress 的 SonicMQ。 JMS 能够通过消息收发服务（有时称为消息中介程序或路由器）从一个 JMS 客户机向另一个 JMS客户机发送消息。消息是 JMS 中的一种类型对象，由两部分组成：报头和消息主体。报头由路由信息以及有关该消息的元数据组成。消息主体则携带着应用程序的数据或有效负载。根据有效负载的类型来划分，可以将消息分为几种类型，它们分别携带：简单文本（TextMessage）、可序列化的对象 （ObjectMessage）、属性集合 （MapMessage）、字节流 （BytesMessage）、原始值流 （StreamMessage），还有无有效负载的消息 （Message）。

基础宏观设计框架搭建

​ 从宏观到围观，掌握全局设计及技术筛选和代码实现，同时体验面向对象的思维理念，先整体后局部，物联网通信技术多数采用MQTT的通信方式，同时MQTT服务器又提供了多种的服务插件，在整体交互过程中，MQTT通信协议将被作为中心点进行延申对接其他服务，如数据库，WEB。。。。

1、整体简易框架示意图：

2、终端框架示意图

3、MQTT服务框架

4、数据库框架示意图

5、WEB框架示意图

基础环境搭建

开发主机：win10_64位操作系统、16G内存、CPU 4Ghz x 8

开发环境：Vmware16、Ubuntu20.04

开发工具：VsCode、Pycharm、git

镜像下载：http://releases.ubuntu.com/20.04/