常用 MQTT 客户端库简介

前言

MQTT 是一个轻量的发布订阅模式消息传输协议,专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用设计。MQTT 基于发布/订阅范式,工作在 TCP/IP协议族上,MQTT 协议轻量、简单、开放并易于实现,这些特点使它适用范围非常广泛。

MQTT 基于客户端-服务器通信模式,MQTT 服务端称为 MQTT Broker,目前行业内可选的 MQTT Broker 较多,其优劣与功能差别比较本文不再赘述。本文以开源社区中最流行的 MQTT 消息服务器 EMQ X 为例,使用 EMQ 提供的公共 Broker broker.emqx.io ,通过一个简单客户端连接 Broker 并发布、处理消息的例子,整理总结不同编程语言、平台下 MQTT 客户端库的使用方式与样例。

入选客户端库如下:

  • Eclipse Paho C 与 Eclipse Paho Embedded C
  • Eclipse Paho Java Client
  • Eclipse Paho MQTT Go client
  • emqtt : EMQ 提供的 Erlang MQTT 客户端库
  • MQTT.js Web 端 & Node.js 平台 MQTT 客户端
  • Eclipse Paho Python

MQTT 社区收录了许多 MQTT 客户端库,读者可以在此处查看。

样例应用介绍

MQTT 客户端整个生命周期的行为可以概括为:建立连接、订阅主题、接收消息并处理、向指定主题发布消息、取消订阅、断开连接。

标准的客户端库在每个环节都暴露出相应的方法,不同库在相同环节所需方法参数含义大致相同,具体选用哪些参数、启用哪些功能特性需要用户深入了解 MQTT 协议特性并结合实际应用场景而定。

本文以一个客户端连接并发布、处理消息为例,给出每个环节大致需要使用的参数:

  • 建立连接
    • 指定 MQTT Broker 基本信息接入地址与端口
    • 指定传输类型是 TCP 还是 MQTT over WebSocket
    • 如果启用 TLS 需要选择协议版本并携带相应的的证书
    • Broker 启用了认证鉴权则客户端需要携带相应的 MQTT Username Password 信息
    • 配置客户端参数如 keepalive 时长、clean session 回话保留标志位、MQTT 协议版本、遗嘱消息(LWT)等
  • 订阅主题:连接建立成功后可以订阅主题,需要指定主题信息
    • 指定主题过滤器 Topic,订阅的时候支持主题通配符 +# 的使用
    • 指定 QoS,根据客户端库和 Broker 的实现可选 Qos 0 1 2,注意部分 Broker 与云服务提供商不支持部分 QoS 级别,如 AWS IoT 、阿里云 IoT 套件、Azure IoT Hub 均不支持 QoS 2 级别消息
    • 订阅主题可能因为网络问题、Broker 端 ACL 规则限制而失败
  • 接收消息并处理
    • 一般是在连接时指定处理函数,依据客户端库与平台的网络编程模型不同此部分处理方式略有不同
  • 发布消息:向指定主题发布消息
    • 指定目标主题,注意该主题不能包含通配符 +#,若主题中包含通配符可能会导致消息发布失败、客户端断开等情况(视 Broker 与客户端库实现方式)
    • 指定消息 QoS 级别,同样存在不同 Broker 与平台支持的 QoS 级别不同,如 Azure IoT Hub 发布 QoS 2 的消息将断开客户端连接
    • 指定消息体内容,消息体内容大小不能超出 Broker 设置最大消息大小
    • 指定消息 Retain 保留消息标志位
  • 取消订阅
    • 指定目标主题即可
  • 断开连接
    • 主动断开连接,将发布遗嘱消息(LWT)

Eclipse Paho C 与 Eclipse Paho Embedded C

Eclipse Paho CEclipse Paho Embedded C 均为 Eclipse Paho 项目下的客户端库,均为使用 ANSI C 编写的功能齐全的 MQTT 客户端,Eclipse Paho Embedded C 可以在桌面操作系统上使用,但主要针对 mbedArduinoFreeRTOS 等嵌入式环境。

该客户端有同步/异步两种 API ,分别以 MQTTClient 和 MQTTAsync 开头:

  • 同步 API 旨在更简单,更有用,某些调用将阻塞直到操作完成为止,使用编程上更加容易;
  • 异步 API 中只有一个调用块 API-waitForCompletion ,通过回调进行结果通知,更适用于非主线程的环境。

两个库的下载、使用详细说明请移步至项目主页查看,本文使用 Eclipse Paho C,直接提供样例代码如下:

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#include "MQTTClient.h"

#define ADDRESS     "tcp://broker.emqx.io:1883"
#define CLIENTID    "emqx_test"
#define TOPIC       "testtopic/1"
#define PAYLOAD     "Hello World!"
#define QOS         1
#define TIMEOUT     10000L

int main(int argc, char* argv[])
{
    MQTTClient client;
    MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
    MQTTClient_message pubmsg = MQTTClient_message_initializer;
    MQTTClient_deliveryToken token;
    int rc;

    MQTTClient_create(&client, ADDRESS, CLIENTID,
        MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);

    // Connection parameters
    conn_opts.keepAliveInterval = 20;
    conn_opts.cleansession = 1;

    if ((rc = MQTTClient_connect(client, &conn_opts)) != MQTTCLIENT_SUCCESS)
    {
        printf("Failed to connect, return code %d\n", rc);
        exit(-1);
    }

    // Publish message
    pubmsg.payload = PAYLOAD;
    pubmsg.payloadlen = strlen(PAYLOAD);
    pubmsg.qos = QOS;
    pubmsg.retained = 0;
    MQTTClient_publishMessage(client, TOPIC, &pubmsg, &token);
    printf("Waiting for up to %d seconds for publication of %s\n"
            "on topic %s for client with ClientID: %s\n",
            (int)(TIMEOUT/1000), PAYLOAD, TOPIC, CLIENTID);
    rc = MQTTClient_waitForCompletion(client, token, TIMEOUT);
    printf("Message with delivery token %d delivered\n", token);

    // Disconnect
    MQTTClient_disconnect(client, 10000);
    MQTTClient_destroy(&client);
    return rc;
}

Eclipse Paho Java Client

Eclipse Paho Java Client 是用 Java 编写的 MQTT 客户端库,可用于 JVM 或其他 Java 兼容平台(例如Android)。

Eclipse Paho Java Client 提供了MqttAsyncClient 和 MqttClient 异步和同步 API。

通过 Maven 安装:

<dependency>
  <groupId>org.eclipse.paho</groupId>
    <artifactId>org.eclipse.paho.client.mqttv3</artifactId>
    <version>1.2.2</version>
</dependency>

连接样例代码如下:

App.java

package io.emqx;

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttClient;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttException;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;


public class App {
    public static void main(String[] args) {
        String subTopic = "testtopic/#";
        String pubTopic = "testtopic/1";
        String content = "Hello World";
        int qos = 2;
        String broker = "tcp://broker.emqx.io:1883";
        String clientId = "emqx_test";
        MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();

        try {
            MqttClient client = new MqttClient(broker, clientId, persistence);

            // Connection options
            MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
            connOpts.setUserName("emqx_test");
            connOpts.setPassword("emqx_test_password".toCharArray());
            // Retain connection
            connOpts.setCleanSession(true);

            // Set callback
            client.setCallback(new PushCallback());

            // Setup connection
            System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
            client.connect(connOpts);

            System.out.println("Connected");
            System.out.println("Publishing message: " + content);

            // Publish
            client.subscribe(subTopic);

            // Required parameters for publishing message
            MqttMessage message = new MqttMessage(content.getBytes());
            message.setQos(qos);
            client.publish(pubTopic, message);
            System.out.println("Message published");

            client.disconnect();
            System.out.println("Disconnected");
            client.close();
            System.exit(0);
        } catch (MqttException me) {
            System.out.println("reason " + me.getReasonCode());
            System.out.println("msg " + me.getMessage());
            System.out.println("loc " + me.getLocalizedMessage());
            System.out.println("cause " + me.getCause());
            System.out.println("excep " + me);
            me.printStackTrace();
        }
    }
}

回调消息处理类 OnMessageCallback.java

package io.emqx;

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.IMqttDeliveryToken;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttCallback;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttMessage;

public class OnMessageCallback implements MqttCallback {
    public void connectionLost(Throwable cause) {
        // Reconnect after lost connection.
        System.out.println("Connection lost, and re-connect here.");
    }

    public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
        // Message handler after receiving message
        System.out.println("Topic:" + topic);
        System.out.println("QoS:" + message.getQos());
        System.out.println("Payload:" + new String(message.getPayload()));
    }

    public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
        System.out.println("deliveryComplete---------" + token.isComplete());
    }
}

Eclipse Paho MQTT Go client

Eclipse Paho MQTT Go Client 为 Eclipse Paho 项目下的 Go 语言版客户端库,该库能够连接到 MQTT Broker 以发布消息,订阅主题并接收已发布的消息,支持完全异步的操作模式。

客户端依赖于 Google 的 proxywebsockets 软件包,通过以下命令完成安装:

go get github.com/eclipse/paho.mqtt.golang

连接样例代码如下:

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "os"
    "time"

    "github.com/eclipse/paho.mqtt.golang"
)

var f mqtt.MessageHandler = func(client mqtt.Client, msg mqtt.Message) {
    fmt.Printf("TOPIC: %s\n", msg.Topic())
    fmt.Printf("MSG: %s\n", msg.Payload())
}

func main() {
    mqtt.DEBUG = log.New(os.Stdout, "", 0)
    mqtt.ERROR = log.New(os.Stdout, "", 0)
    opts := mqtt.NewClientOptions().AddBroker("tcp://broker.emqx.io:1883").SetClientID("emqx_test_client")

    opts.SetKeepAlive(60 * time.Second)
    // Message callback handler
    opts.SetDefaultPublishHandler(f)
    opts.SetPingTimeout(1 * time.Second)

    c := mqtt.NewClient(opts)
    if token := c.Connect(); token.Wait() && token.Error() != nil {
        panic(token.Error())
    }

    // Subscription
    if token := c.Subscribe("testtopic/#", 0, nil); token.Wait() && token.Error() != nil {
        fmt.Println(token.Error())
        os.Exit(1)
    }

    // Publish message
    token := c.Publish("testtopic/1", 0, false, "Hello World")
    token.Wait()

    time.Sleep(6 * time.Second)

    // Cancel subscription
    if token := c.Unsubscribe("testtopic/#"); token.Wait() && token.Error() != nil {
        fmt.Println(token.Error())
        os.Exit(1)
    }

    // Disconnect
    c.Disconnect(250)
    time.Sleep(1 * time.Second)
}

emqtt : EMQ 提供的 Erlang MQTT 客户端库

emqtt 是开源 MQTT Broker EMQ X 官方 EMQ 提供的客户端库,适用于 Erlang 语言。

Erlang 生态有多个 MQTT Broker 实现,如通过插件支持 MQTT 的 RabbitMQ ,VerenMQ、EMQ X 等。但是 MQTT 客户端库几乎没有选择的余地,MQTT 社区收录的 Erlang 客户端库中 emqtt 是最佳选择。

emqtt 完全由 Erlang 实现,完成支持 MQTT v3.1.1 和 MQTT v5.0 协议版本,支持 SSL 单双向认证与 WebSocket 连接。另一款 MQTT 基准测试工具 emqtt_bench 就基于该客户端库构建。

emqtt 使用方式如下:

ClientId = <<"test">>.
{ok, ConnPid} = emqtt:start_link([{clientid, ClientId}]).
{ok, _Props} = emqtt:connect(ConnPid).
Topic = <<"guide/#">>.
QoS = 1.
{ok, _Props, _ReasonCodes} = emqtt:subscribe(ConnPid, {Topic, QoS}).
{ok, _PktId} = emqtt:publish(ConnPid, <<"guide/1">>, <<"Hello World!">>, QoS).
%% If the qos of publish packet is 0, `publish` function would not return packetid.
ok = emqtt:publish(ConnPid, <<"guide/2">>, <<"Hello World!">>, 0).

%% Recursively get messages from mail box.
Y = fun (Proc) -> ((fun (F) -> F(F) end)((fun(ProcGen) -> Proc(fun() -> (ProcGen(ProcGen))() end) end))) end.
Rec = fun(Receive) -> fun()-> receive {publish, Msg} -> io:format("Msg: ~p~n", [Msg]), Receive(); _Other -> Receive() after 5 -> ok end end end.
(Y(Rec))().

%% If you don't like y combinator, you can also try named function to recursively get messages in erlang shell.
Receive = fun Rec() -> receive {publish, Msg} -> io:format("Msg: ~p~n", [Msg]), Rec(); _Other -> Rec() after 5 -> ok end end.
Receive().

{ok, _Props, _ReasonCode} = emqtt:unsubscribe(ConnPid, <<"guide/#">>).

ok = emqtt:disconnect(ConnPid).

MQTT.js Web 端 & Node.js 平台 MQTT 客户端

MQTT.js 是 JavaScript 编写的,实现了 MQTT 协议客户端功能的模块,可以在 Node.js 或浏览器环境中使用。在 Node.js 中使用时,即可以 -g 全局安装以命令行的形式使用,又可以将其集成到项目中调用。

由于 JavaScript 单线程特性,MQTT.js 是全异步 MQTT 客户端,MQTT.js 支持 MQTT 与 MQTT over WebSocket,在不同运行环境支持程度如下:

  • 浏览器环境:MQTT over WebSocket(包括微信小程序、支付宝小程序等定制浏览器环境)
  • Node.js 环境:MQTT、MQTT over WebSocket

不同环境里除了少部分连接参数不同,其他 API 均是相同的。

使用 npm 安装:

npm i mqtt

使用 CDN 安装(浏览器):

<script src="https://unpkg.com/mqtt/dist/mqtt.min.js"></script>
<script>
    // Initialize a global mqtt variable
    console.log(mqtt)
</script>

样例代码:

// const mqtt = require('mqtt')
import mqtt from 'mqtt'

// Connection option
const options = {
        clean: true, // Retain connection
      connectTimeout: 4000, // Timeout
      // Authtication
      clientId: 'emqx_test',
      username: 'emqx_test',
      password: 'emqx_test',
}

// Connection string
// ws: unsecured WebSocket
// wss: secured WebSocket connection
// mqtt: unsecured TCP connection
// mqtts: secured TCP connection
const connectUrl = 'wss://broker.emqx.io:8084/mqtt'
const client = mqtt.connect(connectUrl, options)

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

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

client.on('message', (topic, message) => {
  console.log('message:', topic, message.toString())
})

Eclipse Paho Python

Eclipse Paho Python 为 Eclipse Paho 项目下的 Python 语言版客户端库,该库能够连接到 MQTT Broker 以发布消息,订阅主题并接收已发布的消息。

使用 PyPi 包管理工具安装:

pip install paho-mqtt

代码样例:

import paho.mqtt.client as mqtt


# Successful Connection Callback
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print('Connected with result code '+str(rc))
    client.subscribe('testtopic/#')

# Message delivery callback
def on_message(client, userdata, msg):
    print(msg.topic+" "+str(msg.payload))

client = mqtt.Client()

# Set callback handler
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message

# Set up connection
client.connect('broker.emqx.io', 1883, 60)
# Publish message
client.publish('emqtt',payload='Hello World',qos=0)

client.loop_forever()

总结

关于 MQTT 协议、MQTT 客户端库使用流程、常用 MQTT 客户端的简介就到这里,欢迎读者通过 EMQ X 进行MQTT 学习、项目开发使用。

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