树莓派打造智能家居（二）：MQTT搭建和测试

1.MQTT是什么

1.1概念

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，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。MQTT最大优点在于，可以以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。MQTT属于物联网（Internet of Thing）的一个标准传输协议。它的设计思想是轻巧、开放、简单、规范，易于实现。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应用：
MQTT协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。

物联网M2M通信，物联网大数据采集
Android消息推送，WEB消息推送
移动即时消息，例如Facebook Messenger
智能硬件、智能家具、智能电器
车联网通信，电动车站桩采集
智慧城市、远程医疗、远程教育
电力、石油与能源等行业市场

1.2 MQTT术语介绍：

网络连接（Network Connection）：
MQTT 使用的底层传输协议基础设施。

客户端使用它连接服务端。
它提供有序的、可靠的、双向字节流传输

应用消息（Application Message）：
MQTT 协议通过网络传输应用数据。应用消息通过 MQTT 传输时，它们有关联的服务质量（QoS）和主题（Topic）。

客户端（Client）：
使用 MQTT 的程序或设备。客户端总是通过网络连接到服务端。它主要做以下一些事：

发布应用消息给其它相关的客户端
订阅以请求接受相关的应用消息
取消订阅以移除接受应用消息的请求
从服务端断开连接。

服务端（Server）：
一个程序或设备，作为发送消息的客户端和请求订阅的客户端之间的中介。服务端做什么呢

接受来自客户端的网络连接
接受客户端发布的应用消息
处理客户端的订阅和取消订阅请求
转发应用消息给符合条件的客户端订阅。

订阅（Subscription）：
订阅包含一个主题过滤器（Topic Filter）和一个最大的服务质量（QoS）等级。订阅与单个会话（Session）关联。会话可以包含多于一个的订阅。会话的每个订阅都有一个不同的主题过滤器。

主题名（Topic Name）：
附加在应用消息上的一个标签，服务端已知且与订阅匹配。服务端发送应用消息的一个副本给每一个匹配的客户端订阅。

主题过滤器（Topic Filter:）：
订阅中包含的一个表达式，用于表示相关的一个或多个主题。主题过滤器可以使用通配符。

会话（Session）：
客户端和服务端之间的状态交互。一些会话持续时长与网络连接一样，另一些可以在客户端和服务端的多个连续网络连接间扩展。

控制报文（MQTT Control Packet）：
通过网络连接发送的信息数据包。MQTT 规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH 报文）用于传输应用消息。

1.3 MQTT特性

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的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：

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。
对负载内容屏蔽的消息传输。
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。
有三种消息发布服务质量：

4.1 “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。

4.2 “至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

4.3“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。
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。由于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就变得非常合适。

1.4 MQTT实现方式：

实现MQTT协议需要：客户端和服务器端。
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
- 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）
- payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容
  
  发布/订阅模式（Pub / Sub）是传统客户端 - 服务器模型的替代方案，客户端直接与端点通信。但是，Pub / Sub将正在接收消息（称为订户）的另一客户端（或更多客户端）发送特定消息（称为发布者）的客户端去耦，这意味着发布者和订阅者不了解彼此的存在，有一个第三个组件，称为代理(broker)，由它作为中转，它将过滤所有传入的消息并相应地分发给它们。也就是说消息并不会直接发送给订阅者，而是发布者首先将带有topic的消息发送broker。订阅者可以从broker订阅自己相关的topic，当broker接收到发布过来的消息后，broker开始执行基于topic的过滤，将特定的消息转发给特定的订阅者。

Publish/Subscribe的主要方面是发布者和接收者的多维度解耦，解耦有三个维度：空间，时间，同步：

空间解耦：发布者和订阅者不需要彼此认识
时间解耦：发布者和订阅者不需要同时运行
同步解耦：两个组件的操作在发布或接收过程中都不会停止，同步进行

1.5 MQTT搭建：mosquitto

mosquitto 是一款实现了消息推送协议 MQTT v3.1 的开源消息代理软件，提供轻量级的，支持可发布/可订阅的的消息推送模式，使设备对设备之间的短消息通信变得简单，比如现在应用广泛的低功耗传感器，手机、嵌入式计算机、微型控制器等移动设备。一个典型的应用案例就是 Andy Stanford-ClarkMosquitto（MQTT协议创始人之一）在家中实现的远程监控和自动化。

2.mosquitto安装方法一

这里采用树苺派4来安装mosquitto包。

2.1 安装mosquitto包

安装前先：

sudo apt-get update

接着安装包

sudo apt-get install mosquitto

直接输入y，enter

2.2 mosquitto开发包

sudo apt-get install libmosquitto-dev

2.3 mosquitto客户端

sudo apt-get install mosquitto-clients

2.4 查看mosquitto

sudo service mosquitto status

3.测试

3.1 本机测试

直接Ctrl+Alt+T，打开一个终端，启动mosquitto：

mosquitto -v

mosquitto的默认端口是1883，可以看到mosquitto运行正常

接着再开一个终端，模拟一个消息订阅者：

mosquitto_sub -t emqtt/actorcloud

再开一个终端，模拟一个消息发布者：

mosquitto_pub -t emqtt/actorcloud -m "Hello, MQTT"

可以看到，在上一个订阅者终端收到发布者消息

3.2 网络测试

用win10上通信猫测试，这里win10和树苺派在同一个局域网下，win10的ip地址，输入ipconfig/all 查看

查看安装有mosquitto的树莓派ip地址，输入ifconfig

在win10上打开通信猫，下载地址：http://tongxinmao.com/upload/COMNET.exe

切换到“网络”，再选择“MQTT”
填入MQTT服务器地址，即树莓派地址：192.168.43.3
勾选启用，显示区会显示连接成功提示。

再打开一个通信猫，也是上面服务器配置。

在一个通信猫中，订阅主题，如“123”，点击订阅主题
在另一个中，发布主题，“123”，点击发布消息。可以看到接收成功。

至此，MQTT服务器搭建完毕~

Reference:
1.https://www.runoob.com/w3cnote/mqtt-intro.html
2.https://blog.csdn.net/github_33304260/article/details/73562071
3.https://blog.csdn.net/x_qingh/article/details/87255290
4.http://mqtt.org/