MQTT 的原理与 VertX MQTT 的简单使用简介 MQTT(MQ Telemetry Transport)协议

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简介

MQTT(MQ Telemetry Transport)协议是物联网应用最广泛的协议，MQTT是指IBM的MQseries产品，与“消息队列”无关。当时需要开发一种最小电池损耗，最小宽带的协议，起初主要应用于嵌入式现在转变为开放物联网（IOT）用例。

发布/订阅模式

发布订阅模式广泛的应用于生活中，例如你订阅了微信公众号，作者发布了的公众号文章会推送给每个订阅者，公众号就是Publish ，读者就是 Subscriber ，文章就是 Message。

这个场景的特色在于：

空间解耦：Publish 和 Subscriber不需要相互知道他们的存在
时间解耦：Publish 和 Subscriber不需要同时运行
同步解耦：Publish 和 Subscriber不需要交互，在发布和接收期间不会相互锁定

总之，发布/订阅模型消除了消息发布者和接收者/订阅者之间的直接通信。代理的过滤活动可以控制哪个客户端/订阅者接收哪个消息。解耦包括三个维度：空间、时间和同步。

MQTT的应用

MQTT体现了发布/订阅模式的所有方面

MQTT 在空间上分离了发布者和订阅者。要发布或接收消息，发布者和订阅者只需要知道代理的主机名/IP 和端口。
MQTT 按时间解耦。尽管大多数 MQTT 用例都近乎实时地传递消息，但如果需要，代理可以为不在线的客户端存储消息。（必须满足两个条件才能存储消息：客户端已连接到持久会话并订阅了QoS大于 0 的主题）。
异步工作。大多数Client 基于异步或回调模型，因此等待消息和发布消息不会阻塞任务。当然某些用例是可以同步，所以某些实现会提供同步API。但流程是同步的

MQTT与消息队列的区别

消息队列的消息直到被消费都会被存储
消息队列一条消息只能被一个客户端消费，MQTT的订阅者都会受到消息
队列在使用之前要用命令显示创建队列，topic 可以实时创建。

实时创建topic

//java服务器  Vert.x MQTT 相关代码
endpoint.publishHandler(message -> {

                System.out.println("Just received message [" + message.payload().toString(Charset.defaultCharset()) + "] with QoS [" + message.qosLevel() + "]");

                if (message.qosLevel() == MqttQoS.AT_LEAST_ONCE) {
                    endpoint.publishAcknowledge(message.messageId());
                } else if (message.qosLevel() == MqttQoS.EXACTLY_ONCE) {
                    endpoint.publishReceived(message.messageId());
                }

            }).publishReleaseHandler(messageId -> {

                endpoint.publishComplete(messageId);
            });

使用MQTTX发消息

Topic: test1QoS: 2

{
  "msg": "这是test1"
}
2021-08-04 15:37:17

程序展示结果

使用MQTTX发消息

Topic: tes2QoS: 2

{
  "msg": "这是test2"
}
2021-08-04 15:39:14

程序展示结果

Just received message [{  "msg": "这是test2"}] with QoS [EXACTLY_ONCE]

服务的建立与连接

MQTT 协议基于 TCP/IP。客户端和代理都需要有一个 TCP/IP 堆栈。

MQTT 连接始终位于一个客户端和代理之间。客户端从不直接相互连接。要发起连接，客户端向代理发送 CONNECT 消息。代理使用 CONNACK 消息和状态代码进行响应。建立连接后，代理将保持打开状态，直到客户端发送断开连接命令或连接中断。

MQTTClient

public static void main(String[] args) {
        Vertx vertx = Vertx.vertx();
        MqttClientOptions options = new MqttClientOptions()
                .setUsername("Oneths").setPassword("123456")
                .setWillFlag(true).setWillRetain(true).setWillQoS(1).setWillTopic("oneths").setWillMessage("ONETHS_IOT");
        MqttClient client = MqttClient.create(vertx, options);
        client.connect(40000, "127.0.0.1", s -> {
            client.disconnect();
        });
    }

MQTTServer

public static void main(String[] args) {
        Vertx vertx = Vertx.vertx();
        MqttServerOptions options = new MqttServerOptions()
                .setPort(40000);
        MqttServer mqttServer = MqttServer.create(vertx,options);
        //略
    }

发布订阅和取消订阅

发布（Publish）

MQTT 客户端可以在连接到代理后立即发布消息。MQTT 在代理上使用基于主题的消息过滤。每条消息都必须包含一个主题，代理可以使用该主题将消息转发给感兴趣的客户端。通常，每条消息都有一个负载，其中包含要以字节格式传输的数据

Topic 名称

主题名称是一个简单的字符串，它以正斜杠作为分隔符进行分层结构 ,例如 Germany/Munich/Octoberfest/people/myhome/livingroom/temperature

使用工具MTQQX后可以图形化操作

QoS（服务质量）

有三个级别：0、1 和 2。服务级别决定了消息到达预期接收者（客户端或代理）的保证类型

QoS 0 - 最多一次：最低等级，此服务最大努力交付，不能保证交货。接收方不会确认收到消息，发送方不会存储和重新传输。

QoS 1 - 至少一次：发送方消息可以多次发送，保证消息至少传递一次给接收者，发送方会存贮消息，直到接收到接收方发送的 PUBACK 数据包。接收方接收到之后，可以立即处理，如果是代理接收，代理会回复PUBACK 并且给所有订阅者发送消息，如果重复发送信息会设置重复 (DUP) 标志。

Qos 2 - 恰好一次： MQTT 中最高级别的服务。此级别保证每条消息仅被预期收件人接收一次。QoS 2 是最安全、最慢的服务质量级别。

发送方发送 QoS 2 PUBLISH数据包给接受方，接受方回复PUBREC 数据包让发送方确认。如果发送方没有收到会重复发送 QoS 2 PUBLISH数据包。直到收到PUBREC 数据包

一旦发送方收到来自接收方的 PUBREC 数据包，发送方就可以安全地丢弃初始的 PUBLISH 数据包。发送方存储来自接收方的 PUBREC 数据包，并以PUBREL数据包进行响应。

package io.netty.handler.codec.mqtt;

public enum MqttQoS {
    AT_MOST_ONCE(0),
    AT_LEAST_ONCE(1),
    EXACTLY_ONCE(2),
    FAILURE(0x80);
    //略 
}

订阅（Subscribe）

如果没有人收到消息，发布消息就没有意义。换句话说，如果没有客户端订阅消息的主题。要接收有关感兴趣主题的消息，客户端向MQTT 代理发送SUBSCRIBE消息。这个订阅消息非常简单，它包含一个唯一的数据包标识符和一个订阅列表。

订阅部分代码

endpoint.subscribeHandler(subscribe -> {

                List<MqttQoS> grantedQosLevels = new ArrayList<>();
                for (MqttTopicSubscription s: subscribe.topicSubscriptions()) {
                    System.out.println("Subscription for " + s.topicName() + " with QoS " + s.qualityOfService());
                    grantedQosLevels.add(s.qualityOfService());
                }
                // ack the subscriptions request
                endpoint.subscribeAcknowledge(subscribe.messageId(), grantedQosLevels);

程序反馈的消息

Subscription for test1 with QoS AT_MOST_ONCE
Subscription for test2 with QoS EXACTLY_ONCE
Subscription for test3 with QoS AT_LEAST_ONCE

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