MQTT协议与IoT物联网平台_转创国际华南地区总部基金

1.MQTT协议介绍

1.1 MQTT协议

MQTT（消息队列遥测传输）是基于 TCP/IP 协议栈而构建的支持在各方之间异步通信的消息协议。MQTT在空间和时间上将消息发送者与接收者分离，因此可以在不可靠的网络环境中进行扩展。虽然叫做消息队列遥测传输，但它与消息队列毫无关系，而是使用了发布和订阅(Pub/Sub)的模型。

MQTT 是一种轻量级的、灵活的网络协议，致力于为 IoT 开发人员实现适当的平衡：

这个轻量级协议可在严重受限的设备硬件和高延迟/带宽有限的网络上实现。
它的灵活性使得为 IoT 设备和服务的多样化应用场景提供支持成为可能。

1.2 MQTT Client库

MQTT Client 库在很多语言中都有实现，包括 Embedded C、C、Java、JavaScript、Python、C++、C#、Go、iOS、Android等。

Eclipse Paho的MQTT库下载地址： https://www.eclipse.org/paho/downloads.php

1.3 MQTT报文

1.3.1 固定报头Fixed header

控制报文类型

控制报文类型标志位

剩余长度

1.3.2 可变报头Variable header

某些MQTT控制报文包含一个可变报头部分。它在固定报头和负载之间。可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。可变报头的报文标识符（Packet Identifier）字段存在于在多个类型的报文里。

报文标识符字节 Packet Identifier bytes

1.3.3 有效载荷Payload

以下MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷。对于PUBLISH来说有效载荷就是业务消息。

2.与阿里云IoT平台建立连接

2.1 CONNECT

阿里云IoT物联网平台的MQTT协议不支持will消息，CONNECT 消息内容参数如下：

其中clientId，username，password由设备三元组(productKey,deviceName,deviceSecret)按照规则生成，具体规则如下：

官方文档：https://help.aliyun.com/document_detail/73742.html

设备端代码示例(Nodejs版) client.js

/**
"dependencies": { "mqtt": "2.18.8" }
*/
const crypto = require('crypto');
const mqtt = require('mqtt');

//设备身份三元组+区域const deviceConfig = {
    productKey: "替换",
    deviceName: "替换",
    deviceSecret: "替换",
    regionId: "cn-shanghai"
};

//根据三元组生成mqtt连接参数
const options = initMqttOptions(deviceConfig);
const url = `tcp://${deviceConfig.productKey}.iot-as-mqtt.${deviceConfig.regionId}.aliyuncs.com:1883`;

//2.建立连接
const client = mqtt.connect(url, options);

client.on('packetsend', function (packet){
  console.log('send '+packet.cmd+' packet =>',packet)
})

client.on('packetreceive', function (packet){
  console.log('receive '+packet.cmd+' packet =>',packet)
})

//IoT平台mqtt连接参数初始化
function initMqttOptions(deviceConfig) {
    const params = {
        productKey: deviceConfig.productKey,
        deviceName: deviceConfig.deviceName,
        timestamp: Date.now(),
        clientId: Math.random().toString(36).substr(2),
    }
    //CONNECT参数
    const options = {
        keepalive: 60, //60s
        clean: false, //cleanSession保持持久会话
        protocolVersion: 4 //MQTT v3.1.1
    }
    //1.生成clientId，username，password
    options.password = signHmacSha1(params, deviceConfig.deviceSecret);
    options.clientId = `${params.clientId}|securemode=3,signmethod=hmacsha1,timestamp=${params.timestamp}|`;
    options.username = `${params.deviceName}&${params.productKey}`;

    return options;
}

/*
  生成基于HmacSha1的password
  参考文档：https://help.aliyun.com/document_detail/73742.html?#h2-url-1
*/
function signHmacSha1(params, deviceSecret) {
    let keys = Object.keys(params).sort();
    // 按字典序排序
    keys = keys.sort();
    const list = [];
    keys.map((key) => {
        list.push(`${key}${params[key]}`);
    });
    const contentStr = list.join('');
    return crypto.createHmac('sha1', deviceSecret)
            .update(contentStr)
            .digest('hex');
}

2.2 CONNACK

receive connack packet => Packet {
  cmd: 'connack',
  retain: false,
  qos: 0,
  dup: false,
  length: 2,
  topic: null,
  payload: null,
  sessionPresent: false,
  returnCode: 0 }

2.4 PINGRESP

send pingreq packet => { cmd: 'pingreq' }

2.5 PINGRESP

receive pingresp packet => Packet {
  cmd: 'pingresp',
  retain: false,
  qos: 0,
  dup: false,
  length: 0,
  topic: null,
  payload: null }

2.6 DISCONNECT

3. 发布数据

3.1 PUBLISH

//3.属性数据上报const topic = `/sys/${deviceConfig.productKey}/${deviceConfig.deviceName}/thing/event/property/post`;

setInterval(function() {
    //发布数据到topic
    client.publish(topic, getPostData(),{qos:1});
}, 5 * 1000);

function getPostData() {
    const payloadJson = {
        id: Date.now(),
        params: {
            temperature: Math.floor((Math.random() * 20) + 10),
            humidity: Math.floor((Math.random() * 20) + 60)
        },
        method: "thing.event.property.post"
    }
    console.log("===postData\n topic=" + topic)
    console.log(payloadJson)

    return JSON.stringify(payloadJson)
}

send publish packet => { cmd: 'publish',
  topic: '/sys/a1hQSwFledE/eud1jXfEgCsAiP2eId9Q/thing/event/property/post',
  payload: '{"id":1543896481106,"params":{"temperature":23,"humidity":73},"method":"thing.event.property.post"}',
  qos: 1,
  retain: false,
  messageId: 38850,
  dup: false }

3.2 PUBACK

receive puback packet => Packet {
  cmd: 'puback',
  retain: false,
  qos: 0,
  dup: false,
  length: 2,
  topic: null,
  payload: null,
  messageId: 38850 }

4. 接收数据

4.1 SUBSCRIBE

//4.订阅主题,接收指令const subTopic = `/${deviceConfig.productKey}/${deviceConfig.deviceName}/control`;

client.subscribe(subTopic)
client.on('message', function(topic, message) {
    console.log("topic " + topic)
    console.log("message " + message)
})

SUBSCRIBE消息体

send subscribe packet => { cmd: 'subscribe',
  subscriptions: 
   [ { topic: '/a1hQSwFledE/eud1jXfEgCsAiP2eId9Q/control', qos: 0 } ],
  qos: 1,
  retain: false,
  dup: false,
  messageId: 38851 }

4.2 SUBACK

SUBACK消息体

receive suback packet => Packet {
  cmd: 'suback',
  retain: false,
  qos: 0,
  dup: false,
  length: 3,
  topic: null,
  payload: null,
  granted: [ 128 ],
  messageId: 38851 }

4.3 UNSUBSCRIBE

send unsubscribe packet => { cmd: 'unsubscribe',
  qos: 1,
  messageId: 34323,
  unsubscriptions: [ '/a1hQSwFledE/eud1jXfEgCsAiP2eId9Q/control' ] }

4.4 UNSUBACK

receive unsuback packet => Packet {
  cmd: 'unsuback',
  retain: false,
  qos: 0,
  dup: false,
  length: 2,
  topic: null,
  payload: null,
  messageId: 34323 }

5. 服务质量QoS

6. 设备掉线重连

设备与阿里云IoT的订阅关系在云端保持，除非设备主动unsubscribe，否则订阅关系不清理。设备重连后，依然保持之前的订阅关系，不需要重复订阅。

7. 传输层安全TLS v1.2

设备和IoT平台之间的链路可以通过TLS v1.2加密。

如果使用TLS加密，需要下载根证书。