使用 WebSocket 连接 MQTT 服务器

近年来随着 Web 前端的快速发展，浏览器新特性层出不穷，越来越多的应用可以在浏览器端通过浏览器渲染引擎实现，Web 应用的即时通信方式 WebSocket 也因此得到了广泛的应用。

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通讯的协议。WebSocket 通信协议于2011年被 IETF 定为标准 RFC 6455，并由 RFC 7936 补充规范。WebSocket API 也被 W3C 定为标准。

WebSocket 使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在 WebSocket API 中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。 ¹

MQTT 协议第 6 章 详细约定了 MQTT 在 WebSocket [RFC6455] 连接上传输需要满足的条件，协议内容不在此详细赘述。

两款客户端比较

Paho.mqtt.js

Paho 是 Eclipse 的一个 MQTT 客户端项目，Paho JavaScript Client 是其中一个基于浏览器的库，它使用 WebSockets 连接到 MQTT 服务器。相较于另一个 JavaScript 连接库来说，其功能较少，不推荐使用。

MQTT.js

MQTT.js 是一个完全开源的 MQTT 协议的客户端库，使用 JavaScript 编写，可用于 Node.js 和浏览器。在 Node.js 端可以通过全局安装使用命令行连接，同时支持 MQTT/TCP、MQTT/TLS、MQTT/WebSocket 连接；值得一提的是 MQTT.js 还对微信小程序有较好的支持。

本文将使用 MQTT.js 库进行 WebSocket 的连接讲解。

安装 MQTT.js

如果读者机器上装有 Node.js 运行环境，可直接使用 npm 命令安装 MQTT.js。

在当前目录安装

npm install mqtt --save

CDN 引用

或免安装直接使用 CDN 地址

<script src="https://unpkg.com/mqtt/dist/mqtt.min.js"></script>

<script>
    // 将在全局初始化一个 mqtt 变量
    console.log(mqtt)
</script>

连接至 MQTT 服务器

本文将使用 EMQX 提供的 免费公共 MQTT 服务器，该服务基于 EMQX 的 MQTT 物联网云平台 创建。服务器接入信息如下：

• Broker: broker.emqx.io
• TCP Port: 1883
• Websocket Port: 8083

EMQX 使用 8083 端口用于普通连接，8084 用于 SSL 上的 WebSocket 连接。

为了简单起见，让我们将订阅者和发布者放在同一个文件中：

const clientId = 'mqttjs_' + Math.random().toString(16).substr(2, 8)

const host = 'ws://broker.emqx.io:8083/mqtt'

const options = {
  keepalive: 60,
  clientId: clientId,
  protocolId: 'MQTT',
  protocolVersion: 4,
  clean: true,
  reconnectPeriod: 1000,
  connectTimeout: 30 * 1000,
  will: {
    topic: 'WillMsg',
    payload: 'Connection Closed abnormally..!',
    qos: 0,
    retain: false
  },
}

console.log('Connecting mqtt client')
const client = mqtt.connect(host, options)

client.on('error', (err) => {
  console.log('Connection error: ', err)
  client.end()
})

client.on('reconnect', () => {
  console.log('Reconnecting...')
})

连接地址

上文示范的连接地址可以拆分为： ws: // broker . emqx.io : 8083 /mqtt

即 协议 // 主机名 . 域名 : 端口 / 路径

初学者容易出现以下几个错误：

• 连接地址没有指明协议：WebSocket 作为一种通信协议，其使用 ws (非加密)、wss(SSL 加密) 作为协议标识。MQTT.js 客户端支持多种协议，连接地址需指明协议类型；
• 连接地址没有指明端口：MQTT 并未对 WebSocket 接入端口做出规定，EMQX 上默认使用 8083 8084 分别作为非加密连接、加密连接端口。而 WebSocket 协议默认端口同 HTTP 保持一致 (80/443)，不填写端口则表明使用 WebSocket 的默认端口连接；而使用标准 MQTT 连接时则无需指定端口，如 MQTT.js 在 Node.js 端可以使用 mqtt://localhost 连接至标准 MQTT 1883 端口，当连接地址是 mqtts://localhost 则连接到 8884 端口；
• 连接地址无路径：MQTT-WebSoket 统一使用 /path 作为连接路径，连接时需指明，在 EMQX 上使用的路径为 /mqtt；
• 协议与端口不符：使用了 wss 连接却连接到 8083 端口；
• 在 HTTPS 下使用非加密的 WebSocket 连接： Google 等机构在推进 HTTPS 的同时也通过浏览器约束进行了安全限定，即 HTTPS 连接下浏览器会自动禁止使用非加密的 ws 协议发起连接请求；
• 证书与连接地址不符： 篇幅较长，详见下文 EMQ 启用 SSL/TLS 加密连接。

连接选项

上面代码中， options 是客户端连接选项，以下是主要参数说明，其余参数详见https://www.npmjs.com/package/mqtt#connect。

• keepalive：心跳时间，默认 60秒，设置 0 为禁用；
• clientId： 客户端 ID ，默认通过 'mqttjs_' + Math.random().toString(16).substr(2, 8) 随机生成；
• username：连接用户名（可选）；
• password：连接密码（可选）；
• clean：true，设置为 false 以在离线时接收 QoS 1 和 2 消息；
• reconnectPeriod：默认 1000 毫秒，两次重新连接之间的间隔，客户端 ID 重复、认证失败等客户端会重新连接；
• connectTimeout：默认 30 * 1000毫秒，收到 CONNACK 之前等待的时间，即连接超时时间；
• will：遗嘱消息，当客户端严重断开连接时，Broker 将自动发送的消息。 一般格式为：
  • topic：要发布的主题
  • payload：要发布的消息
  • qos：QoS
  • retain：保留标志

订阅/取消订阅

连接成功之后才能订阅，且订阅的主题必须符合 MQTT 订阅主题规则；

注意 JavaScript 的异步非阻塞特性，只有在 connect 事件后才能确保客户端已成功连接，或通过 client.connected 判断是否连接成功：

client.on('connect', () => {
  console.log('Client connected:' + clientId)
  // Subscribe
  client.subscribe('testtopic', { qos: 0 })
})

// Unsubscribe
client.unubscribe('testtopic', () => {
  console.log('Unsubscribed')
})

发布/接收消息

发布消息到某主题，发布的主题必须符合 MQTT 发布主题规则，否则将断开连接。发布之前无需订阅该主题，但要确保客户端已成功连接：

// Publish
client.publish('testtopic', 'ws connection demo...!', { qos: 0, retain: false })

// Received
client.on('message', (topic, message, packet) => {
  console.log('Received Message: ' + message.toString() + '\nOn topic: ' + topic)
})

微信小程序

MQTT.js 库对微信小程序特殊处理，使用 wxs 协议标识符。注意小程序开发规范中要求必须使用加密连接，连接地址应类似为 wxs://broker.emqx.io:8084/mqtt。

EMQX 启用 SSL/TLS 加密连接

EMQ 内置自签名证书，默认已经启动了加密的 WebSocket 连接，但大部分浏览器会报证书无效错误如 net::ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID (Chrome、360 等 webkit 内核浏览器在开发者模式下， Console 选项卡 可以查看大部分连接错误)。导致该错误的原因是浏览器无法验证自签名证书的有效性，读者需从证书颁发机构购买可信任证书，并参考该篇文章中的相应部分进行配置操作：EMQX MQTT 服务器启用 SSL/TLS 安全连接。

这里就总结启用 SSL/TLS 证书需要具备的条件是：

• 将域名绑定到 MQTT 服务器公网地址：CA 机构签发的证书签名是针对域名的；
• 申请证书：向 CA 机构申请所用域名的证书，注意选择一个可靠的 CA 机构且证书要区分泛域名与主机名；
• 使用加密连接的时候选择 wss 协议，并 使用域名连接 ：绑定域名-证书之后，必须使用域名而非 IP 地址进行连接，这样浏览器才会根据域名去校验证书以在通过校验后建立连接。

EMQX 配置

打开 etc/emqx.conf 配置文件，修改以下配置：

# wss 监听地址
listener.wss.external = 8084

# 修改密钥文件地址
listener.wss.external.keyfile = etc/certs/cert.key

# 修改证书文件地址
listener.wss.external.certfile = etc/certs/cert.pem

完成后重启 EMQX 即可。

可以使用你的证书与密钥文件直接替换到 etc/certs/ 下。

在 Nginx 上配置反向代理与证书

使用 Nginx 来反向代理并加密 WebSocket 可以减轻 EMQX 服务器计算压力，同时实现域名复用，同时通过 Nginx 的负载均衡可以分配多个后端服务实体。

# 建议 WebSocket 也绑定到 443 端口
listen 443, 8084;
server_name example.com;

ssl on;

ssl_certificate /etc/cert.crt;  # 证书路径
ssl_certificate_key /etc/cert.key; # 密钥路径


# upstream 服务器列表
upstream emq_server {
    server 10.10.1.1:8883 weight=1;
    server 10.10.1.2:8883 weight=1;
    server 10.10.1.3:8883 weight=1;
}

# 普通网站应用
location / {
    root www;
    index index.html;
}

# 反向代理到 EMQX 非加密 WebSocket
location / {
    proxy_redirect off;
    # upstream
    proxy_pass http://emq_server;

    proxy_set_header Host $host;
    # 反向代理保留客户端地址
    proxy_set_header X-Real_IP $remote_addr;
    proxy_set_header X-Forwarded-For $remote_addr:$remote_port;
    # WebSocket 额外请求头
    proxy_http_version 1.1;
    proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
    proxy_set_header Connection “upgrade”;
}

其它资源

项目完整代码请见：https://github.com/emqx/MQTT-Client-Examples/tree/master/mqtt-client-WebSocket

读者可访问 EMQ 提供的 MQTT 入门与进阶系列文章学习 MQTT 主题及通配符、保留消息、遗嘱消息等相关概念，探索 MQTT 的更多高级应用，开启 MQTT 应用及服务开发。

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