MQTT 通訊協定

介紹 MQTT 通訊協定以及其應用場域

MQTT 框架介紹

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) 是 IBM 為了物聯網 (IoT, Internet of Things) 所開發的一通訊架構，此架構建構於 TCP/IP 之上，並特別針對物聯網的特性，提供輕量、且針對不穩定網路的通訊架構。MQTT 是基於 pub/sub 的架構實現，在其網路中，有一個 broker 負責作為資訊的中介層，而其他裝置可以藉由發表 (publish) 一個主題 (topic)，傳送資訊至 broker，或是藉由定閱 (subscribe) 一主題，從broker 中取得資訊，如下圖所示:

來自: https://micropython-iot-hackathon.readthedocs.io/en/latest/mqtt.html

考慮到物聯網的應用情境，MQTT 有一種特殊的 QoS 設計，分別針對不同的資料等級，設計了從 0-3 三種等級的 QoS 標準，如下所示:

  • QoS 0: At most once (只傳一次)

  • QoS 1: At least once (至少一次)

  • Q0S 2: Exactly once (剛好一次)

不同的 QoS 等級就對應於不同的通訊需求，以及相對應的控制封包的數量。在 QoS 的定義中，傳送的行為都是指 publish，在下圖中，我們可以看到 QoS 0 相當於 best effort 的傳輸機制，QoS 1 有了 broker 收到的 ACK，QoS 2 則是雙向的 ACK 機制。

來自: https://devopedia.org/mqtt

在這張圖中，我們也可以發現 MQTT 和一般 Message Queue 的不同。MQTT 的 broker 並不會暫存下所收到的資訊，一但收到 ACK 刪除之後，這些訊息就不會繼續被保留在系統中，所以也不會被訂閱的用戶接收到。

關於訊息的保留，在 MQTT 中可以藉由保留訊息 (Retained messages) 的方式，保留最後一筆資訊，但是沒有辦法像是 Kafka 一樣，保留所有的資訊，並提供資料的保留與容錯機制。

MQTT 在 OpenWRT 上的測試

在 OpenWRT 上，已經有標準的 MQTT 程式實現 (mosquitto-ssl、mosquitto-nossl)，其實現基於 MQTT 3.1 的標準 (也就是 IBM 所提出的第一個標準)，詳細的資料可以參考:

其中，我們要先在 OpenWRT 上安裝套件:

opkg update
opkg install mosquitto mosquitto-client libmosquitto

套件一共有三個，分別對應於 broker (mosquitto)、client (mosquitto-client)、library (libmosquitto)，換句話說，mosquitto 這個 MQTT 實作支援了在 OpenWRT 上進行資料發表或是訂閱的功能，並且也可以作為一個 MQTT broker，將 WiFi AP 作為物聯網的中介，收集 WiFi 網路下各節點的資訊。

安裝完成後，一共有三個套件: 

root@GL-AR750S:~# mosquitto
mosquitto      mosquitto_pub  mosquitto_sub

其中，mosquitto 是 broker 的角色，支援 MQTT 3.1 版，透過指令，可以設定 MQTT 所使用的 port，也可以以背景模式在 OpenWRT 上執行。

root@GL-AR750S:~# mosquitto --help
mosquitto version 1.5

mosquitto is an MQTT v3.1.1 broker.

Usage: mosquitto [-c config_file] [-d] [-h] [-p port]

 -c : specify the broker config file.
 -d : put the broker into the background after starting.
 -h : display this help.
 -p : start the broker listening on the specified port.
      Not recommended in conjunction with the -c option.
 -v : verbose mode - enable all logging types. This overrides
      any logging options given in the config file.

See http://mosquitto.org/ for more information.

當背景執行時，並不會顯示所使用的 PID，因此，若要停止背景執行的程式，可以使用: fuser 1883/tcp取得 PID，再透過kill指令關閉。

開啟 broker 以後，我們先開啟另一個 putty 連線進行消息的訂閱，其中-h localhost -p 1883代表 broker 的 IP 和 port，-t mqtt則代表訂閱的 topic。

 mosquitto_sub -h localhost -p 1883 -t mqtt

用以發佈訊息的指令類似，只是在最後多加入了-m hello用以代表所要傳送的訊息。

mosquitto_pub -h localhost -p 1883 -t mqtt -m hello

透過上述指令，我們就可以在訂閱消息的連線中，看到所發布的訊息。

root@GL-AR750S:~# mosquitto_sub -h localhost -p 1883 -t mqtt
hello

QoS 的預設值為 0。可以在mosquitto_pub中，透過-q的輸入來設定發送訊息的 QoS。

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