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node-red实现MQTT通讯

通过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。
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  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。
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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。
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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;
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  • 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

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 -P111111-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 -P111111-t topic -m  我是被发布的内容

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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:
在这里插入图片描述
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;
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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;
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  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;
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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:
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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;在这里插入图片描述
  • 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:在这里插入图片描述
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


本文转载自: https://blog.csdn.net/weixin_52223770/article/details/123852198
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