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2020
10-08

基于python实现MQTT发布订阅过程原理解析

MQTT简介

MQTT 全称为 Message Queuing Telemetry Transport(消息队列遥测传输)是一种基于发布/订阅范式的“轻量级”消息协议。该协议构建于TCP/IP协议上。

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。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。

MQTT特点

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。该协议需要客户端和服务端,而协议中主要有三种身份:发布者(Publisher)、代理(Broker,服务器)、订阅者(Subscriber)。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,而消息发布者可以同时是订阅者,实现了生产者与消费者的脱耦;

2、对负载内容屏蔽的消息传输;

3、使用 TCP/IP 提供网络连接;

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。
  • “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。这一级别可用于如下情况,在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。

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;

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。

原理

MQTT协议有三种身份:发布者、代理、订阅者,发布者和订阅者都为客户端,代理为服务器,同时消息的发布者也可以是订阅者(为了节约内存和流量发布者和订阅者一般都会定义在一起)。

MQTT传输的消息分为主题(Topic,可理解为消息的类型,订阅者订阅后,就会收到该主题的消息内容(payload))和负载(payload,可以理解为消息的内容)两部分。

1.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。

2.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。

当应用数据通过MQTT网络发送时,MQTT会把与之相关的服务质量(QoS)和主题名(Topic)相关连。

3.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。

4.MQTT服务端

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,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。

5.MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、订阅(Subscription)

订阅包含主题筛选器(Topic Filter)和最大服务质量(QoS)。订阅会与一个会话(Session)关联。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。

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。

6.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。

7.应用场景

因为它传输消息具有异步性(发布订阅模式),同时该协议本身的轻量特定,因此可用于轻量级应用,

可作为物联网的通信组件使用,例如树莓派上完全可以搭建一个mqtt服务器,当未来智能家居全面普及的时候,

家居中的消息通讯都可用此实现,如智能冰箱温度检测,房间温度检测等信息都能通过mqtt去实现,遥感数据、

汽车检测数据、智能家居、智慧城市、医疗医护都具有应用场景。

客户端

#!/usr/bin/env python 
# encoding: utf-8 
""" 
@version: v1.0 
@author: W_H_J 
@license: Apache Licence 
@contact: 415900617@qq.com 
@software: PyCharm 
@file: clicentMqttTest.py 
@time: 2019/2/22 14:19 
@describe: mqtt客户端
"""
import json
import sys
import os
import paho.mqtt.client as mqtt
import time
 
sys.path.append(os.path.abspath(os.path.dirname(__file__) + '/' + '..'))
sys.path.append("..")
 
TASK_TOPIC = 'test' # 客户端发布消息主题
 
client_id = time.strftime('%Y%m%d%H%M%S', time.localtime(time.time()))
"""
client_id是连接到代理。如果client_id的长度为零或为零,则行为为由使用的协议版本定义。如果使用MQTT v3.1.1,
那么一个零长度的客户机id将被发送到代理,代理将被发送为客户端生成一个随机变量。如果使用MQTT v3.1,那么id将是
随机生成的。在这两种情况下,clean_session都必须为True。如果这在这种情况下不会产生ValueError。
注意:一般情况下如果客户端服务端启用两个监听那么客户端client_id 不能与服务器相同,如这里用时间"20190222142358"作为它的id,
如果与服务器id相同,则无法接收到消息
"""
client = mqtt.Client(client_id, transport='tcp')
 
client.connect("127.0.0.1", 1883, 60) # 此处端口默认为1883,通信端口期keepalive默认60
client.loop_start()
 
 
def clicent_main(message: str):
  """
  客户端发布消息
  :param message: 消息主体
  :return:
  """
  time_now = time.strftime('%Y-%m-%d %H-%M-%S', time.localtime(time.time()))
  payload = {"msg": "%s" % message, "data": "%s" % time_now}
  # publish(主题:Topic; 消息内容)
  client.publish(TASK_TOPIC, json.dumps(payload, ensure_ascii=False))
  print("Successful send message!")
  return True
if __name__ == '__main__':
  msg = "我是一条测试数据!"
  clicent_main(msg)
client

服务端

#!/usr/bin/env python 
# encoding: utf-8 
""" 
@version: v1.0 
@author: W_H_J 
@license: Apache Licence 
@contact: 415900617@qq.com 
@software: PyCharm 
@file: serverMqttTest.py 
@time: 2019/2/22 14:35 
@describe: mqtt 服务端
"""
import json
import sys
import os
import time
import paho.mqtt.client as mqtt
sys.path.append(os.path.abspath(os.path.dirname(__file__) + '/' + '..'))
sys.path.append("..")
 
REPORT_TOPIC = 'test' # 主题
 
 
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
  print('connected to mqtt with resurt code ', rc)
  client.subscribe(REPORT_TOPIC) # 订阅主题
 
 
def on_message(client, userdata, msg):
  """
  接收客户端发送的消息
  :param client: 连接信息
  :param userdata: 
  :param msg: 客户端返回的消息
  :return: 
  """
  print("Start server!")
  payload = json.loads(msg.payload.decode('utf-8'))
  print(payload)
 
 
def server_conenet(client):
  client.on_connect = on_connect # 启用订阅模式
  client.on_message = on_message # 接收消息
  client.connect("127.0.0.1", 1883, 60) # 链接
  # client.loop_start()  # 以start方式运行,需要启动一个守护线程,让服务端运行,否则会随主线程死亡
  client.loop_forever()  # 以forever方式阻塞运行。
 
 
def server_stop(client):
  client.loop_stop() # 停止服务端
  sys.exit(0)
 
 
def server_main():
  client_id = time.strftime('%Y%m%d%H%M%S', time.localtime(time.time()))
  client = mqtt.Client(client_id, transport='tcp')
  server_conenet(client)
 
 
if __name__ == '__main__':
  # 启动监听
  server_main()

server

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持自学编程网。

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