node-red实现MQTT通讯

一.了解MQTT通讯协议及通讯过程

mqtt协议

  MQTT（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年发布的即时通讯协议。MQTT最大优点在于，用 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。有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和制动器(比如通过Twitter让房屋联网)的通信协议。
  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是一个 基于客户端-服务器 的 消息发布/订阅传输协议。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(例如通过卫星和代理连接，通过拨号和医疗保健提供者连接，以及在一些自动化或小型设备上，而且由于小巧，省电，协议开销小和能高效的向一和多个接收者传递信息，故同样适用于称动应用设备上。)。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。

  该协议主要针对 嵌入式设备，这些设备一般工作于TCP/IP网络;MQTT 与 HTTP 一样，MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。

主要特性

  MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络；为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。
 这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。

（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。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

（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。这一种方式主要是 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。
 “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。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。
   这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集”(要知道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再适合不过了。)

（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。
Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。
Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。

发布和订阅

  MQTT使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。
  这是一种消息传递模式，消息不是直接从发送器发送到接收器（即点对点），而是由MQTT server（或称为 MQTT Broker）（服务器）分发的。

MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心。
  它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现，当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。
  服务器分发消息，因此必须是发布者，但绝不是订阅者！
  客户端可以发布消息（发送方）、订阅消息（接收方）或两者兼而有之。
  客户端（也称为节点）是一种智能设备，如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。
  消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠“/”作为分隔符号。

我们来看看下面的简单的MQTT的应用场景，具体如下图所示；

• 光伏发电站是发布者（Publisher）。
• 主要 主题（Topic）级别是"PV"，这个工厂发布两个子级别"sunshine"和"data"；
• “PV/sunshine”（光伏发电站发出） 是一个布尔值（true/false，也可以是 1/0），充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车（仅在阳光普照时 ）。
• 充电站（EVSE）是订阅者，订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。
• “PV/data” （光伏发电站发出）另一方面，以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率，并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅，以生成一天内传输功率的图表。

MQTT协议原理

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。

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

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。

MQTT服务器

  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(客户端与客户端之间)，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。

MQTT协议中的订阅、主题、会话

  一个订阅客户端能接受多个相同对应主题的发布客户端；
  一个发布客户端能发给多个相同对应主题的订阅客户端；
  无论发布客户端还是订阅客户端都可以一对一也可以一对多；
一、订阅（Subscription）
  订阅包含 主题筛选器（Topic Filter） 和 最大服务质量（QoS） 。一个订阅会关联一个会话（Session）。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（订阅都有属于自己的主体筛选器）。

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。

MQTT协议中的方法

  MQTT协议中定义了一些方法（也被称为 动作 ），来用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

MQTT协议数据包结构

  在MQTT协议中，一个 MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。 MQTT数据包结构如下：
（1）固定头（Fixed header）:存在于所有MQTT数据包中，表示 数据包类型 及 数据包的分组类标识。
（2）可变头（Variable header）:存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
（3）消息体（Payload）:存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。
关于以上三个头的具体协议原理我们是不需要记住的；

二.学会搭建并配置mosquitto

1.下载与安装：链接: https://mosquitto.org/download.
2.在配置文件mosquitto.conf中，任意位置加入下面文本，保存退出（我说的全新安装的情况下，如果是维护已经使用很久的系统，可在配置文件中找到对应的属性进行更改）

#设置不允许匿名登录
allow_anonymous false
#设置账户密码文件位置为C:\MosquittoTest\pwfile.example
password_file /MosquittoTest/pwfile.exampl

3.启动mosquitto 进行测试

• 首先:命令行cd到mosquitto安装目录；

cd E:\MosquittoDEZNZHUANG\mosquitto;

启动 第一个cmd窗口启动 服务：

mosquitto.exe -c mosquitto.conf

或

mosquitto.exe

• 然后启动第二个cmd窗口
  命令行cd到mosquitto安装目录；
  订阅 'dissun/topic’主题（其中dissun是账号用户名，111111是密码）：

mosquitto_sub -u dissun -P 111111 -t  topic -v

• 最后启动第三个cmd窗口;
  命令行cd到mosquitto安装目录；
  发布订阅 '腰疼不加班’信息：

mosquitto_pub -u dissun -P 111111 -t topic -m  我是被发布的内容

打开三个命令行终端，一个是用于打开服务器，一个是订阅客户端，一个是发布者客户端；
最终经过以上步骤，实现了两个客户端之间的通信。
4.我们还可以 更改mosquitto的用户名和密码，只是为了让知道用户名和密码的客户端才能连上我的服务器，最终实现通讯；
更改用户名和密码的步骤：

三.在node-red上搭建流，在本地实现MQTT通讯

1.准备工作：首先cmd打开命令行终端（打开多个，一个用于启动node-red；一个用于打开服务器；一个用于充当订阅客户端），打开node-red网页版；
2.通过cmd窗口命令行终端启动 服务；

mosquitto.exe

3.回到node-red网页版，创建流如图所示：

创建流成功后我们来更改其中的一些参数配置如下图所示：
服务端的IP填写本机的IP即可；随意添加一个发布主题；

还可以设置发布者的用户名和密码：（是为了让客户端连接上服务器）
  最开始做的时候还没有设置mosquitto的用户名和密码，因此此时的mosquitto是没有用户名和密码的，即使 客户端输入随意的什么用户名和密码都可以连接上服务器（此时订阅和发布的客户端也没必要用户名密码保持一致，因为根本没必要设置）
  当我们对mosquitto设置了用户名和密码，此时要实现通讯，订阅和通讯客户端就一定要设置成与mosquitto相同的用户名和密码，只有这样，客户端才能连接上服务器；

  在 订阅客户端 也填入服务器的IP地址（这里我们的服务器是我们的当前电脑）、订阅主题即可（与发布客户端一致即可实现两客户端与服务器之间的订阅与发布）
  此时部署，运行即可实现通讯了，在调试窗口即可出现运行的输出结果；

  通讯成功！
当服务器未启动， 客户端连不上服务器时，启动的node-red终端会持续打印输出以下代码，来提示不能连接成功：

4.改进：我们也可以让node-red网页版充当发布客户端，桌面cmd命令行窗口充当订阅客户端，实现在命令行终端的输出：
在上面设置完发布者客户端的用户名和密码之后，我们在一个新打开的命令行终端创建订阅者客户端，具体步骤如下：

• ①打开新的命令行终端；
• ②定位到mosquitto的安装位置；
  
• ③创建订阅者客户端，具体的命令行语法格式为：

mosquitto_sub -u 用户名 -P 密码 -t 主题 -v

注：当订阅和发布客户端都是终端时，这时上面订阅者客户端创建时 主题（topic） 也不用加单引号，
即可成功，如下图所示：
实现了node-red网页端与命令行终端订阅者客户端的通讯；
通讯成功!
注：二和三中
  最开始做的时候还没有设置mosquitto的用户名和密码，因此此时的mosquitto是没有用户名和密码的，即使 客户端输入随意的什么用户名和密码都可以连接上服务器（此时订阅和发布的客户端也没必要用户名密码保持一致，因为根本没必要设置）
  当我们对mosquitto设置了用户名和密码，此时要实现通讯，订阅和通讯客户端就一定要设置成与mosquitto相同的用户名和密码，只有这样，客户端才能连接上服务器；
  其实，mosquitto 初始安装完成后，是处于允许匿名登录模式，只能从本机登录，无法从外网登录。所以 需要关闭匿名登录，采取用户认证模式。
  broker中文意思是中介，相当于客户端之间的中介，也就是服务器，broker只有一个，服务器只有一个；