MQTT協議與阿里雲IoT物聯網平臺

時間  2019-11-09
標籤 mqtt 協議 阿里 iot 聯網 平臺 欄目 阿里巴巴 简体版
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1.MQTT協議介紹

1.1 MQTT協議

MQTT（消息隊列遙測傳輸） 是基於 TCP/IP 協議棧而構建的支持在各方之間異步通訊的消息協議。MQTT在空間和時間上將消息發送者與接收者分離，所以能夠在不可靠的網絡環境中進行擴展。雖然叫作消息隊列遙測傳輸，但它與消息隊列毫無關係，而是使用了發佈和訂閱(Pub/Sub)的模型。javascript

MQTT 是一種輕量級的、靈活的網絡協議，致力於爲 IoT 開發人員實現適當的平衡：php

  • 這個輕量級協議可在嚴重受限的設備硬件和高延遲/帶寬有限的網絡上實現。
  • 它的靈活性使得爲 IoT 設備和服務的多樣化應用場景提供支持成爲可能。

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1.2 MQTT Client庫

MQTT Client 庫在不少語言中都有實現，包括 Embedded C、C、Java、JavaScript、Python、C++、C#、Go、iOS、Android等。Eclipse Paho的MQTT庫下載地址：www.eclipse.org/paho/downlo…html

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下面開發實踐基於Nodejs版mqtt，獲取地址 www.npmjs.com/package/mqt…java

1.3 MQTT報文

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1.3.1 固定報頭Fixed header

Bit
7
6
5
4
3
2
1
0
byte 1
MQTT控制報文的類型
用於指定控制報文類型的標誌位
byte 2,3,4,5
剩餘長度，最大4個字節

控制報文類型算法

名字 值 報文流動方向 描述
Reserved 0 禁止 保留
CONNECT 1 Client -> Broker device鏈接IoT平臺
CONNACK 2 Broker -> Client IoT平臺確認鏈接結果
PUBLISH 3 雙向 發佈消息
PUBACK 4 雙向 QoS=1消息發佈收到確認
PUBREC 5 雙向 IoT不支持
PUBREL 6 雙向 IoT不支持
PUBCOMP 7 雙向 IoT不支持
SUBSCRIBE 8 Client -> Broker device訂閱IoT平臺Topic
SUBACK 9 Broker -> Client IoT平臺確認訂閱結果
UNSUBSCRIBE 10 Client -> Broker device取消訂閱IoT平臺Topic
UNSUBACK 11 Broker -> Client IoT平臺確認取消訂閱結果
PINGREQ 12 Client -> Broker device發送心跳請求到IoT平臺
PINGRESP 13 Broker -> Client IoT平臺響應device心跳
DISCONNECT 14 Client -> Broker device斷開IoT平臺鏈接
Reserved 15 禁止 保留

控制報文類型標誌位npm

控制報文 固定報頭標誌 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
PUBLISH MQTT 3.1.1使用 DUP QoS QoS RETAIN

剩餘長度安全

字節數 最小值 最大值
1 0 (0x00) 127 (0x7F)
2 128 (0x80, 0x01) 16 383 (0xFF, 0x7F)
3 16 384 (0x80, 0x80, 0x01) 2 097 151 (0xFF, 0xFF, 0x7F)
4 2 097 152 (0x80, 0x80, 0x80, 0x01) 268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)

注：阿里雲IoT的單個payload最大256K網絡

1.3.2 可變報頭Variable header

某些MQTT控制報文包含一個可變報頭部分。它在固定報頭和負載之間。可變報頭的內容根據報文類型的不一樣而不一樣。可變報頭的報文標識符（Packet Identifier）字段存在於在多個類型的報文裏。session

報文標識符字節 Packet Identifier bytes
Bit 7 - 0
byte 1 報文標識符 MSB
byte 2 報文標識符 LSB
控制報文 報文標識符
PUBLISH 須要（若是QoS =1，2）
PUBACK 須要
PUBREC 須要
PUBREL 須要
PUBCOMP 須要
SUBSCRIBE 須要
SUBACK 須要
UNSUBSCRIBE 須要
UNSUBACK 須要

1.3.3 有效載荷Payload

如下MQTT控制報文在報文的最後部分包含一個有效載荷。對於PUBLISH來講有效載荷就是業務消息。dom

控制報文 有效載荷
CONNECT 須要
PUBLISH 可選
SUBSCRIBE 須要
SUBACK 須要
UNSUBSCRIBE 須要

2.與阿里雲IoT平臺創建鏈接

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2.1 CONNECT

阿里雲IoT物聯網平臺的MQTT協議不支持will消息，CONNECT 消息內容參數以下：

參數
說明
cleanSession
此標誌指定鏈接是不是持久性的。
0爲持久會話，QoS=1消息不會丟失；
1爲非持久會話，清理離線消息。
clientId
客戶端標識符
username
代理的身份驗證和受權憑證。
password
代理的身份驗證和受權憑證。
keepAlive
心跳時間, IoT平臺約定心跳範圍 30s~1200s

其中clientId，username，password由設備三元組(productKey,deviceName,deviceSecret)按照規則生成，具體規則以下：

clientId
id+"|securemode=3,signmethod=hmacsha1,timestamp="+timestamp+"|"
id ：表示客戶端ID，64字符內。其中 ||內爲擴展參數。
securemode：安全模式;2爲TLS加密，3爲非加密
signmethod：簽名算法類型。 timestamp：當前時間毫秒值。
username
deviceName+"&"+productKey
password
sign_hmac(deviceSecret,content)
sign_hmac爲clientId中的signmethod算法類型
content爲以下拼接字符串： " clientId${ id} deviceName${deviceName} productKey${productKey} timestamp${timestamp}"

官方文檔：help.aliyun.com/document_de…

設備端代碼示例(Nodejs版) client.js

/** "dependencies": { "mqtt": "2.18.8" } */
const crypto = require('crypto');
const mqtt = require('mqtt');
//設備身份三元組+區域
const deviceConfig = {
    productKey: "替換",
    deviceName: "替換",
    deviceSecret: "替換",
    regionId: "cn-shanghai"
};
//根據三元組生成mqtt鏈接參數
const options = initMqttOptions(deviceConfig);
const url = `tcp://${deviceConfig.productKey}.iot-as-mqtt.${deviceConfig.regionId}.aliyuncs.com:1883`;

//2.創建鏈接
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平臺mqtt鏈接參數初始化
function initMqttOptions(deviceConfig) {

    const params = {
        productKey: deviceConfig.productKey,
        deviceName: deviceConfig.deviceName,
        timestamp: Date.now(),
        clientId: Math.random().toString(36).substr(2),
    }
    //CONNECT參數
    const options = {
        keepalive: 60, //60s
        clean: false, //cleanSession保持持久會話
        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;
}

/* 生成基於HmacSha1的password 參考文檔：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');
}
複製代碼

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 
}
複製代碼

2.4 PINGRESP

send pingreq packet => { cmd: 'pingreq' }
複製代碼

2.5 PINGRESP

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

2.6 DISCONNECT

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3. 發佈數據

3.1 PUBLISH

//3.屬性數據上報
const topic = `/sys/${deviceConfig.productKey}/${deviceConfig.deviceName}/thing/event/property/post`;
setInterval(function() {
    //發佈數據到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);
}

複製代碼
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 
}
複製代碼

3.2 PUBACK

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

4. 接收數據

4.1 SUBSCRIBE

//4.訂閱主題,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)
})
複製代碼

SUBSCRIBE消息體

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

4.2 SUBACK

SUBACK消息體

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

4.3 UNSUBSCRIBE

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

4.4 UNSUBACK

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

5. 服務質量QoS

服務質量
Quality of Service
描述
阿里雲IoT
QoS=0
最多一次的傳輸，可能會收不到消息
支持
QoS=1
至少一次的傳輸，必定會收到消息，可能重複
支持
QoS=2
有且僅有一次的傳輸
不支持

阿里雲IoT的QoS.png | left | 500x247

6. 設備掉線重連

設備與阿里雲IoT的訂閱關係在雲端保持，除非設備主動unsubscribe，不然訂閱關係不清理。設備重連後，依然保持以前的訂閱關係，不須要重複訂閱。

7. 傳輸層安全TLS1.2

設備和IoT平臺之間的鏈路能夠經過TLS v1.2加密。 若是使用TLS加密，須要下載根證書。 CONNECT參數中clientId的securemode=2

help.aliyun.com/document_de…

IoT物聯網技術

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