轻量通讯协议 — MQTT

Posted on by hackdl

介绍

一、MQTT简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport） 是一种轻量级的消息传输协议，通常用于在物联网（IoT）和传感器网络中进行通信。它设计用于在低带宽、不稳定或高延迟的网络环境下传输数据，因此非常适用于连接设备之间的通信，尤其是在资源有限的环境中。

MQTT 的主要特点包括以下几点：

  1. 轻量级：MQTT 协议本身非常简洁，消息头部占用较少的带宽，使其在低带宽网络中运行效率高。

  2. 发布/订阅模型：MQTT 使用发布/订阅模型，其中客户端可以订阅特定的主题（Topic），并接收与该主题相关的消息。发布者发布消息到特定主题，然后所有订阅了该主题的客户端都将收到该消息。

  3. 可靠性：MQTT 支持三种不同级别的消息传输质量，包括最多一次、至少一次和仅一次传输，可根据应用需求选择合适的级别。

  4. 持久会话：MQTT 允许客户端建立持久会话，以便在连接丢失后重新连接时能够恢复之前的订阅和消息传递状态。

  5. QoS（Quality of Service）：MQTT 提供不同的 QoS 级别，以确保消息的可靠传递。这包括 QoS 0（最多一次传输）、QoS 1（至少一次传输）和 QoS 2（仅一次传输）。

  6. 适应性：MQTT 可以在多种网络协议上运行，包括 TCP/IP、WebSocket 和其他协议。

总之，MQTT 是一种非常适合物联网和传感器网络的通信协议，因其轻量级和高效的特性而受到广泛应用。它允许设备之间实时地交换信息，从而支持各种应用，包括智能家居、工业自动化、农业监测等。

二、MQTT 的 QoS 机制

什么是 QoS 机制？（https://www.emqx.com/zh/blog/introduction-to-mqtt-qos）

很多时候，使用 MQTT 协议的设备都运行在网络受限的环境下，而只依靠底层的 TCP 传输协议，并不能完全保证消息的可靠到达。因此，MQTT 提供了 QoS 机制，其核心是设计了多种消息交互机制来提供不同的服务质量，来满足用户在各种场景下对消息可靠性的要求。

MQTT 定义了三个 QoS 等级，分别为：

  • QoS 0，最多交付一次。
  • QoS 1，至少交付一次。
  • QoS 2，只交付一次。

其中，使用 QoS 0 可能丢失消息，使用 QoS 1 可以保证收到消息，但消息可能重复，使用 QoS 2 可以保证消息既不丢失也不重复。QoS 等级从低到高，不仅意味着消息可靠性的提升，也意味着传输复杂程度的提升。

MQTT 的.Net 库 — MQTTnet

MQTTnet是一个开源的用于基于MQTT的通信的高性能.NET库。它提供了一个MQTT客户端和一个MQTT服务器（代理），并支持MQTT协议，直到版本5。它与大多数受支持的.NET兼容框架版本和CPU体系结构。

Guthub地址： https://github.com/dotnet/MQTTnet

MQTTnet通过NuGet软件包管理器交付。可以在这里找到软件包：https://www.nuget.org/packages/MQTTnet/

在Visual Studio中，在Package Manager控制台中使用以下命令手动安装MQTTnet:

Install-Package MQTTnet

可以通过GitHub上直接查看Demo源码，或者下载源码后使用Visual Studio打开，它提供了多个Samples ，每个Samples下有不同的相关方法，有以下几类：

  • Client_Connection_Samples —
  • Client_Publish_Samples
  • Client_Subscribe_Samples
  • Logger_Samples
  • Managed_Client_Simple_Samples
  • PackageInspection_Samples
  • RpcClient_Samples
  • Server_ASP_NET_Samples
  • Server_Diagnostics_Samples
  • Server_Intercepting_Samples
  • Server_Retained_Messages_Samples
  • Server_Simple_Samples
  • Server_TLS_Samples

可以下载源码编译，运行起来后如下：

Windows下MQTT消息服务器的安装使用

一般，常见的MQTT服务器软件有：

  • Mosquitto – 流行的开源MQTT服务器，但是没有可视化界面，需要借助其他工具才可以可视化。

  • EMQX – 强大的开源MQTT服务器，有可视化界面。

  • HiveMQ – HiveMQ 是一个商业的MQTT服务器，提供免费的开发者版。

这里推荐使用EMQX ，它提供了可视化界面，以便更容易地配置、管理和监控MQTT服务器。

一、下载EMQX

EMQX 官网提供了丰富的文档，Quick Start 地址：https://www.emqx.io/docs/zh/v5.2/

这里不建议安装最新版本，建议降低版本，若安装最新版本 emqx-5.3.0-windows-amdx64，则会启动异常，如下所示：


本次测试使用 emqx-4.4.19-otp24.3.4.6-windows-amd64 版本，如下：

按照官网教程，进入到安装目录/emqx/bin 下，使用以下指令启动EMQX ：

emqx start

二、启动EMQX 服务

EMQX 常用启动命令：

命令 描述
start 以守护进程模式启动 EMQX，运行期间不需要交互式 shell。
console 在 Erlang 或 Elixir 交互式 shell 中启动 EMQX。用于在开发环境中调试 EMQX，需要与 EMQX 进行交互。
foreground 在前台模式下启动 EMQX，不使用交互式 shell。用于在开发环境中启动 EMQX服务器托管网，但不需要后台运行。
stop 停止运行中的 EMQX 节点。
ctl 管理和监控 EMQX，执行 emqx ctl help 可以获取更多详细信息。

EMQX 常用ctl命令：

命令 描述
status 快速查看当前运行的节点是否运行。
broker 查看当前节点的运行的版本状态以及运行时长。
observer 可以用于查看运行时状态。展示一个类似于 linux 的 top 命令的界面。
admins 用于创建、修改、删除管理员账户。
clients 查看和管理客户端。
topics 查看当前系统中所有订阅的主题。
subscriptions 查看、增加或者删除某个客户端的订阅。

三、EMQX Dashboard

EMQX Dashboard 是EMQX内置的Web 应用程序，它支持查看运行中的 EMQX 集群的整体连接数，订阅主题数，消息收发数量和流入流出速率，还包括节点列表和节点信息和一些系统指标信息，同时也可以对一些客户端连接与订阅数据进行查看与管理。

如果 EMQ 安装在本机，则使用浏览器打开地址 http://127.0.0.1:18083 ，输入默认用户名 admin 与默认密码 public ，登录进入 Dashboard，如下图：

如果忘记了 Dashboard 登录密码，可以通过 cli 的 admins 命令进行重置，详情请参考 命令行 – admins：

./bin/emqx ctl admins passwd

四、MQTTX Desktop

MQTTX 客户端是一款跨平台的 MQTT 桌面客户端工具。它提供用户友好的图形界面，让用户可以快速创建、测试 MQTT 连接，并进行MQTT 消息的发布和订阅。下载地址：https://mqttx.app/zh/downloads 界面如下图：

客户端代码编写

一、准备工作

接下来 我们使用MQTTnet，编写服务端和客户端测试一下：

  1. 新建控制台项目，添加MQTTnet库。

  2. 按照上文中命令启动EMQX服务

  3. 使用MQTTX Desktop，设置 host 为localhost ，prot 为 1883 ，连接服务，如下图：

二、代码编写

这样准备工作就做好了，编写创建发布客户端代码，如下：

public static async Task CreatePublishMQTTClient()
{
    try
    {
        MqttFactory mqttFactory = new MqttFactory();

        var mqttClient = mqttFactory.CreateMqttClient();

        var mqttClientOptions = new MqttClientOptionsBuilder()
            .WithTcpServer("localhost", 1883)
            .WithClientId("Client1")
            .Build();
        var connectResult = await mqttClient.ConnectAsync(mqttClientOptions, CancellationToken.None);

        Console.WriteLine("mqttClient connectRes服务器托管网ult: " + connectResult.ResultCode.ToString());

        while (true)
        {
            var msg = Console.ReadLine();

            string topic = "testtopic/publish";
            string payload = $"{msg} {DateTime.Now:yyyy-MM-dd HH:mm:ss:fff}"; // 消息内容

            var message = new MqttApplicationMessageBuilder()
                .WithTopic(topic)
                .WithPayload(payload)
                .WithQualityOfServiceLevel(MqttQualityOfServiceLevel.AtLeastOnce) // 设置消息质量
                .WithRetainFlag(false) // 是否保留消息
                .Build();

            await mqttClient.PublishAsync(message, CancellationToken.None);
        }

    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine(ex.ToString());
    }
}

接下来再编写一个订阅客户端代码：

public static async Task CreateSubscribeMQTTClient()
{
    try
    {
        MqttFactory mqttFactory = new MqttFactory();

        var mqttClient = mqttFactory.CreateMqttClient();

        var mqttClientOptions = new MqttClientOptionsBuilder()
            .WithTcpServer("localhost", 1883)
            .WithClientId("Client1")
            .Build();


        mqttClient.ApplicationMessageReceivedAsync += (e) =>
        {
            Task task = Task.Factory.StartNew(() =>
            {
                var msgArray = e.ApplicationMessage.Payload;
                string result = Encoding.UTF8.GetString(msgArray);
                Console.WriteLine("Received: " + result);
            });

            return task;
        };

        var connectResult = await mqttClient.ConnectAsync(mqttClientOptions, CancellationToken.None);

        Console.WriteLine("mqttClient connectResult: " + connectResult.ResultCode.ToString());

        string topic = "testtopic/subscribe";

        var subscribeOptions = new MqttClientSubscribeOptionsBuilder()
            .WithTopicFilter(topic)
            .Build();

        await mqttClient.SubscribeAsync(subscribeOptions);

    }
    catch (Exception ex)
    {
        Console.WriteLine(ex.ToString());
    }
}

接下来编写控制台Main方法，由于MQTT Client方法是异步的，所以为了避免控制台退出，在调用方法后，增加了一个While 死循环保证控制台程序是激活状态，代码如下：

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("Choose a creation type: rn 1: PublishClientrn 2: SubscribeClient");
    var type = Console.ReadLine();
    switch (type)
    {
        case "1":
            _ = CreatePublishMQTTClient();
            break;
        case "2":
            _ = CreateSubscribeMQTTClient();
            break;

    }
    while (true) Thread.Sleep(1000);
}

三、测试

先测试发布客户端，在控制台选择PublishClient，然后等待连接，可以看到连接结果为Success，发送两条测试消息，可以看到MQTTX Desktop 均收到。

接下来测试订阅客户端，在控制台选择SubscribeClient，然后等待连接，可以看到连接结果为Success，在MQTTX Desktop 发布一条消息给订阅客户端，可以看到控制台程序中，接收到了测试消息。

总结

总的来说， 使用C#编写 MQTT相关代码的资料还是比较少的，但好在官方文档足够详细，今天试玩一下还是花费不少功夫的。本篇文章作抛砖引玉，浅浅了解MQTT这个轻量级的通讯协议，在辅以Demo加深理解，熟悉如何使用，文章末尾也提供诸多参考文章，方便大家借鉴学习。

参考链接

MQTTnet Guthub地址： https://github.com/dotnet/MQTTnet

MQTT 入门指南：https://www.emqx.com/zh/mqtt-guide

EMQX 官方文档：https://www.emqx.io/docs/zh/v5.2/

EMQX 命令行文档：https://www.emqx.io/docs/zh/v5.2/admin/cli.html

EMQX 配置手册：https://www.emqx.io/docs/zh/v5.2/configuration/configuration-manual.html

EMQX基础功能： https://juejin.cn/post/7081629128650129416

MQTTX 客户端下载：https://mqttx.app/zh/downloads

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