MQTT協議與阿里雲IoT物聯網平臺

1.MQTT協議介紹

1.1 MQTT協議

MQTT（訊息佇列遙測傳輸） 是基於 TCP/IP 協議棧而構建的支援在各方之間非同步通訊的訊息協議。MQTT在空間和時間上將訊息傳送者與接收者分離，因此可以在不可靠的網路環境中進行擴充套件。雖然叫做訊息佇列遙測傳輸，但它與訊息佇列毫無關係，而是使用了釋出和訂閱(Pub/Sub)的模型。

MQTT 是一種輕量級的、靈活的網路協議，致力於為 IoT 開發人員實現適當的平衡：

• 這個輕量級協議可在嚴重受限的裝置硬體和高延遲/頻寬有限的網路上實現。
• 它的靈活性使得為 IoT 裝置和服務的多樣化應用場景提供支援成為可能。

1.2 MQTT Client庫

MQTT Client 庫在很多語言中都有實現，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…

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

1.3 MQTT報文

1.3.1 固定報頭Fixed header

控制報文型別

名字	值	報文流動方向	描述
Reserved	0	禁止	保留
CONNECT	1	Client -> Broker	device連線IoT平臺
CONNACK	2	Broker -> Client	IoT平臺確認連線結果
PUBLISH	3	雙向	釋出訊息
PUBACK	4	雙向	QoS=1訊息釋出收到確認
PUBREC	5	雙向	IoT不支援
PUBREL	6	雙向	IoT不支援
PUBCOMP	7	雙向	IoT不支援
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傳送心跳請求到IoT平臺
PINGRESP	13	Broker -> Client	IoT平臺響應device心跳
DISCONNECT	14	Client -> Broker	device斷開IoT平臺連線
Reserved	15	禁止	保留

控制報文型別標誌位

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

位元組數	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

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型別的不同而不同。可變報頭的報文識別符號（Packet Identifier）欄位存在於在多個型別的報文裡。

報文識別符號位元組 Packet Identifier bytes

Bit	7 - 0
byte 1	報文識別符號 MSB
byte 2	報文識別符號 LSB

控制報文	報文識別符號
PUBLISH	需要（如果QoS =1，2）
PUBACK	需要
PUBREC	需要
PUBREL	需要
PUBCOMP	需要
SUBSCRIBE	需要
SUBACK	需要
UNSUBSCRIBE	需要
UNSUBACK	需要

1.3.3 有效載荷Payload

以下MQTT控制報文在報文的最後部分包含一個有效載荷。對於PUBLISH來說有效載荷就是業務訊息。

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

2.與阿里雲IoT平臺建立連線

2.1 CONNECT

阿里雲IoT物聯網平臺的MQTT協議不支援will訊息，CONNECT 訊息內容引數如下：

其中clientId，username，password由裝置三元組(productKey,deviceName,deviceSecret)按照規則生成，具體規則如下：

官方文件：help.aliyun.com/document_de…

裝置端程式碼示例(Nodejs版) client.js

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

//2.建立連線
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連線引數初始化
function initMqttOptions(deviceConfig) {

    const params = {
        productKey: deviceConfig.productKey,
        deviceName: deviceConfig.deviceName,
        timestamp: Date.now(),
        clientId: Math.random().toString(36).substr(2),
    }
    //CONNECT引數
    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
  參考文件：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');
}
複製程式碼

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 
}
複製程式碼

2.4 PINGRESP

send pingreq packet => { cmd: 'pingreq' }
複製程式碼

2.5 PINGRESP

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

2.6 DISCONNECT

3. 釋出資料

3.1 PUBLISH

//3.屬性資料上報
const topic = `/sys/${deviceConfig.productKey}/${deviceConfig.deviceName}/thing/event/property/post`;
setInterval(function() {
    //釋出資料到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);
}

複製程式碼

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 
}
複製程式碼

3.2 PUBACK

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

4. 接收資料

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)
})
複製程式碼

SUBSCRIBE訊息體

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

4.2 SUBACK

SUBACK訊息體

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

4.3 UNSUBSCRIBE

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

4.4 UNSUBACK

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

5. 服務質量QoS

6. 裝置掉線重連

裝置與阿里雲IoT的訂閱關係在雲端保持，除非裝置主動unsubscribe，否則訂閱關係不清理。裝置重連後，依然保持之前的訂閱關係，不需要重複訂閱。

7. 傳輸層安全TLS1.2

裝置和IoT平臺之間的鏈路可以通過TLS v1.2加密。 如果使用TLS加密，需要下載根證照。 CONNECT引數中clientId的securemode=2

help.aliyun.com/document_de…