ubunbtu下基于c++实现MQTT客户端通信
文章目录
- 一、MQTT简介
- 1.1 MQTT 服务器(Broker)是发布-订阅架构的核心
- 1.2 MQTT 网络协议
- 1.3 服务质量
- 1.4 MQTT 数据包结构
- 1.4.1 MQTT固定头
- 1.4.2 MQTT可变头 / Variable header
- 1.4.3 Payload消息体
- 二、MQTT在线工具测试
- 2.1 mosquitto安装及测试
- 2.1.1 通过命令端
- 2.1.2 通过源码安装
- 2.2 mqttx在线测试工具
- 三、基于Eclipse Paho MQTT C++开发mqtt客户端程序
- 3.1 Eclipse Paho MQTT C++库下载、安装
- 3.2 客户端代码设计
- 3.3 编译 & 执行
- 3.4 执行结果
- 四、总结
一、MQTT简介
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。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。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。
1.1 MQTT 服务器(Broker)是发布-订阅架构的核心
MQTT Broker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。
以下是一个简单的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"是一个布尔值(true/fault,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” 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。
1.2 MQTT 网络协议
MQTT协议的版本有MQTT v3.1.1/3.1,最新的是MQTT5.0(后续以5.0协议进行演示)。除标准版外,还有一个简化版MQTT-SN,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,如:ZigBee。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。
1.3 服务质量
为了满足不同的场景,MQTT支持三种不同级别的服务质量(Quality of Service,QoS)为不同场景提供消息可靠性:
- 级别0:尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息,但是遇到意外并不会重试。
- 级别1:至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失,消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次,当然可能造成重复消息。
- 级别2:恰好一次。保证这种语义肯待会减少并发或者增加延时,不过丢失或者重复消息是不可接受的时候,级别2是最合适的。
服务质量是个老话题了。级别2所提供的不重不丢很多情况下是最理想的,不过往返多次的确认一定对并发和延迟带来影响。级别1提供的至少一次语义在日志处理这种场景下是完全OK的,所以像Kafka这类的系统利用这一特点减少确认从而大大提高了并发。级别0适合鸡肋数据场景,食之无味弃之可惜,就这么着吧。
1.4 MQTT 数据包结构
- 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;
- 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;
- 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;
整体MQTT的消息格式如下图所示;
1.4.1 MQTT固定头
固定头存在于所有MQTT数据包中,其结构如下:
MQTT消息类型 / message type
位置:byte 1, bits 7-4。
4位的无符号值,类型如下:
名称 值 流方向 描述
标识位 / DUP
位置:byte 1, bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中,标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时,接收端必须关闭网络连接:
数据包 标识位 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
DUP:发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输,如果设置为 1,则在下面的变长中增加MessageId,并且需要回复确认,以保证消息传输完成,但不能用于检测消息重复发送。
QoS发布消息的服务质量(前面已经做过介绍),即:保证消息传递的次数
00:最多一次,即:<=1
01:至少一次,即:>=1
10:一次,即:=1
11:预留
RETAIN:发布保留标识,表示服务器要保留这次推送的信息,如果有新的订阅者出现,就把这消息推送给它,如果设有那么推送至当前订阅者后释放。
剩余长度(Remaining Length)
位置:byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的,但不是直接保存的。这一字节是可以扩展,其保存机制,前7位用于保存长度,后一部用做标识。当最后一位为 1时,表示长度不足,需要使用二个字节继续保存。例如:计算出后面的大小为0
1.4.2 MQTT可变头 / Variable header
MQTT数据包中包含一个可变头,它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同,较常的应用是做为包的标识:
Bit 7 — 0
很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段,这些类型的包有:
PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、
SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK
1.4.3 Payload消息体
Payload消息体是MQTT数据包的第三部分,CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体:
- CONNECT,消息体内容主要是:客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码
- SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
- SUBACK,消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
- UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。
二、MQTT在线工具测试
目前MQTT代理的主流平台有下面几个:
Mosquitto:https://mosquitto.org/
VerneMQ:https://vernemq.com/
EMQTT:http://emqtt.io/
2.1 mosquitto安装及测试
2.1.1 通过命令端
1、安装服务器端
sudo apt-get install mosquitto
完成安装后,服务器就搭建好了,系统会自动运行mosquitto,默认端口为1883。
2、安装客户端
前面服务器端搭建好了,但是客户端还没有安装。这一步是可选的,如果需要在终端上测试MQTT订阅/发布的通信就需要执行这一步,这里我们也安装上去才有后续的这些测试。
sudo apt install mosquitto-clients
3、启动mosquitto服务
mosquitto -v
-v 详细模式——启用所有日志记录类型。
4、通过service启动/关闭mosquitto服务
sudo service mosquitto start
sudo service mosquitto stop
5、查看运行状态
sudo systemctl status mosquitto
6、查看帮助信息
mosquitto --help
7、关闭mosquitto 服务
- 查看运行进程号:ps -aux | grep mosquitto
执行命令杀死进程:kill -9 进程号 - sudo service mosquitto stop
8、测试(默认配置)
首先打开三个终端,
1、启动代理服务:mosquitto -v
-v 详细模式 打印调试信息
2、订阅主题:mosquitto_sub -v -t hello
-t 指定订阅的主题,主题为:hello
-v 详细模式 打印调试信息
3、发布内容:mosquitto_pub -t hello -m world
-t 指定订阅的主题,主题为:hello
-m 指定发布的消息的内容
具体运行效果如下图:
2.1.2 通过源码安装
采用命令行安装mosquitto简单方便,但是安装的版本往往是旧的版本,不能满足最新的协议要求(比如不支持MQTT5.0协议),因此就需要去官网(https://mosquitto.org/)下载源码,安装需要的新版本(2.0.15支持MQTT5.0),下面简单介绍安装流程。
1、安装mosquitto所需要依赖
sudo apt-get install libssl-dev
sudo apt-get install uuid-dev
sudo apt-get install cmake
2、源码下载
wget http://mosquitto.org/files/source/mosquitto-2.0.15.tar.gz
3、解压源码
tar -zxvf mosquitto-2.0.15.tar.gz
进入源码目录:
cd mosquitto-2.0.15/
4、编译与安装源码
make
sudo make install
上面使用的都是默认配置,如需修改服务器的配置信息需要修改:
mosquitto源码目录下的配置文件mosquitto.conf 或者**/etc/mosquitto/mosquitto.conf**文件
在启动服务器时使用命令:mosquitto -c mosquitto.conf -d(在mosquitto安装目录下)
通过源码下载编译安装,会生成一些供我们使用的测试程序和动态库,用来我们自己进行开发使用。
2.2 mqttx在线测试工具
https://mqttx.app/zh
mqttx提供了命令行+app两种方式实现MQTT测试,下载app后具体教程可参考上述网站。
三、基于Eclipse Paho MQTT C++开发mqtt客户端程序
3.1 Eclipse Paho MQTT C++库下载、安装
源代码及库安装使用教程如下:
https://github.com/eclipse/paho.mqtt.cpp
此存储库包含内存管理操作系统(如 Linux/Posix 和 Windows)上的 Eclipse Paho MQTT C++ 客户端库的源代码。
此代码构建了一个库,使 C++11 应用程序能够连接到 MQTT 代理、向代理发布消息、订阅主题和接收发布的消息。
3.2 客户端代码设计
mqtt_client.hpp
#ifndef __MQTT_CLIENT_TO_CLOUD_HPP__
#define __MQTT_CLIENT_TO_CLOUD_HPP__#include <mqtt/async_client.h> // mqtt库头文件
#include <mqtt/topic.h> // mqtt库头文件namespace cloud {//! Handler on cloud messageusing message_handler = std::function<void(const std::string&)>;class mqtt_client{public:mqtt_client();~mqtt_client();void send(const std::string& message);void set_message_handler(message_handler cb);private:// static constexpr const char* BROKER_HOST = "localhost:1883"; //本地测试:mosquittostatic constexpr const char* BROKER_HOST = "broker.emqx.io:1883"; //公共mqtt broker:MQTTX// static constexpr const char* BROKER_HOST = "124.XXX.XXX.XXX:1883"; //云端测试:mosquittoprivate:mqtt::async_client cli_;mqtt::topic topic_;};
} // namespace cloud#endif
mqtt_client.cpp
#include <iostream>
#include <string>#include "mqtt_client.hpp"using namespace std;namespace cloud {// mqtt_client类构造函数实现mqtt_client::mqtt_client()// 1.The server URI string 2.The client ID string that we provided to the server 3.The MQTT protocol version we're connected at: cli_(BROKER_HOST, "client", mqtt::create_options(MQTTVERSION_5))// 1.The client to which this topic is connected 2.The topic name(pub & sub) 3.The default QoS, topic_(cli_,"haojuhu", 1) {//! Handler on connection lost, do reconnect herecli_.set_connection_lost_handler([this](const string& info) {std::cout<<"mqtt connection lost <" << info << ">, reconnting"<<std::endl;cli_.reconnect();});//! Handler on connected, it'll subscribe the topic and publish online infocli_.set_connected_handler([this](const string& info) {std::cout << "mqtt connected <" << info << ">"<<std::endl;topic_.subscribe(mqtt::subscribe_options(true)); // client订阅topic[haojuhu]topic_.publish("online"); // client发布消息"online"至topic[haojuhu]});}//2.mqtt_client类析构函数实现mqtt_client::~mqtt_client(){cli_.disconnect();cli_.disable_callbacks();}/*** @brief Publish message to topic,发布消息给topic* @param[in] message The message payload*/void mqtt_client::send(const string& message) { topic_.publish(message); }/*** @brief Set mqtt message handler,设置mqtt消息处理句柄(也就是函数对象cb)* @note The mqtt connection will established here* @param[in] cb The message handler*/void mqtt_client::set_message_handler(message_handler cb){//! Set message callback herecli_.set_message_callback([cb](mqtt::const_message_ptr message) {cb(message->get_payload_str()); //执行函数cb});//! Set connect options and do connectauto opts = mqtt::connect_options_builder().mqtt_version(MQTTVERSION_5).clean_start(true).finalize();cli_.connect(opts);}
} // namespace cloud
main.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <map>#include "mqtt_client.hpp"using namespace std;/*** @brief Handler on message from cloud* @param[in] data The message payload from cloud*/
void on_cloud_message(const string& data)
{std::cout<<"received data is: "<<data<<std::endl;
}int main(int argc,char **argv)
{cloud::mqtt_client g_client; //定义一个mqtt客户端std::cout << "[CLOUD] listen starting"<<std::endl;g_client.set_message_handler(on_cloud_message); //开启mqtt clinet监听消息,消息处理函数为on_cloud_messagewhile(1){std::cout << "运行中..."<<std::endl;this_thread::sleep_for(10s);g_client.send("online..."); // 确保与mqtt broker server建立连接之后再publish!!!}return 0;
}
3.3 编译 & 执行
g++ main.cpp mqtt_client.cpp -lpaho-mqttpp3 -lpaho-mqtt3a
./a.out
3.4 执行结果
四、总结
上面主要介绍了以下三个部分的内容:
- MQTT协议基础知识;
- MQTT在线测试工具;
- 基于库实现mqtt客户端程序。
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