執行環境:
- JDK 8+
- Maven 3.0+
- Redis
技術棧:
- SpringBoot 2.0+
- Redis (Lettuce客戶端,RedisTemplate模板方法)
- Netty 4.1+
- MQTT 3.1.1
IDE:
- IDEA或者Eclipse
- Lombok外掛
簡介
近年來，物聯網高歌猛進，美國有“工業網際網路”，德國有“工業4.0”，我國也有“中國製造2025”，這背後都是雲端計算、大資料。據波士頓諮詢報告，單單中國製造業，雲端計算、大資料、人工智慧等新技術就能為其帶來高達6萬億的額外附加值。
國內外巨頭紛紛駐足工業網際網路，國外如亞馬遜AWS、微軟Azure，國內則是三大電信運營商、百度雲、華為、金山雲等，其中騰訊雲、阿里雲最甚，還拉來了傳統制造大佬,國內巨頭紛紛在物聯網上佈局。在2018雲棲-深圳峰會上，阿里巴巴資深副總裁，阿里雲總裁胡曉明宣佈阿里巴巴將正式進軍IoT。胡曉明表示，IoT是阿里巴巴集團繼電商、金融、物流、雲端計算之後的一條新的主賽道。
IOT技術窺探
以上這些內容，作者作為一個開發人員，並不是一個投資人員和創業先鋒。並不太關係這些具體細節。我所關心的是如何用技術去實現或者模擬一個支援百萬連結的IOT伺服器,並不嚴謹，僅做大家參考。
關於為什麼選用下圖的中介軟體或者對MQTT不太瞭解的話,可以閱讀我之前的2篇文章:
技術輪廓圖
快速入門
執行測試
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git clone github.com/sanshengshu…
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cd netty-iot
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執行 NettyIotApplication
-
啟動Eclipse Paho,並填寫使用者名稱和密碼，即可連線。
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另起一個Eclipse Paho,訂閱隨意主題,例如test。另一個Eclipse Paho釋出主題test。即可收到訊息。
-
取消主題訂閱，再次釋出訊息。就收不到訊息。
有了前面2篇文章的鋪墊並學習了MQTT V3.1.1 協議,說了那麼多，手癢癢的很。
You build it, You run it！
專案結構介紹
netty-iot
├── auth -- 認證
├── service -- 使用者名稱,密碼認證實現類
├── util -- 認證工具類
├── common -- 公共類
├── auth -- 使用者名稱,密碼認證介面
├── message -- 協議儲存實體及介面類
├── session -- session儲存實體及介面類
├── subscribe -- 訂閱儲存實體及介面類
├── config -- Redis配置
├── protocol -- MQTT協議實現
├── server -- MQTT伺服器
├── store -- Redis資料儲存
├── cache
├── message
├── session
├── subscribe
├── web -- web服務
├── NettyIotApplication -- 服務啟動類
複製程式碼Redis
安裝
體驗 Redis 需要使用 Linux 或者 Mac 環境，如果是 Windows 可以考慮使用虛擬機器。主要方式有四種：
- 使用 Docker 安裝。
- 通過 Github 原始碼編譯。
- 直接安裝 apt-get install(Ubuntu)、yum install(RedHat) 或者 brew install(Mac)。
- 如果讀者懶於安裝操作，也可以使用網頁版的 Web Redis 直接體驗。
具體操作如下：
Docker 方式
# 拉取 redis 映象
> docker pull redis
# 執行 redis 容器
> docker run --name myredis -d -p6379:6379 redis
# 執行容器中的 redis-cli，可以直接使用命令列操作 redis
> docker exec -it myredis redis-cli...
複製程式碼Github 原始碼編譯方式
# 下載原始碼
> git clone --branch 2.8 --depth 1 git@github.com:antirez/redis.git
> cd redis
# 編譯
> make
> cd src
# 執行伺服器，daemonize表示在後臺執行
> ./redis-server --daemonize yes
# 執行命令列
> ./redis-cli...
複製程式碼直接安裝方式
# mac
> brew install redis
# ubuntu
> apt-get install redis
# redhat
> yum install redis
# 執行客戶端
> redis-cli
複製程式碼使用
Spring Boot除了支援常見的ORM框架外，更是對常用的中介軟體提供了非常好封裝，隨著Spring Boot2.x的到來，支援的元件越來越豐富，也越來越成熟，其中對Redis的支援不僅僅是豐富了它的API，更是替換掉底層Jedis的依賴，取而代之換成了Lettuce(生菜),大家可以參考這篇文章對工程進行配置。所以我使用Lettuce作為客戶端來對我的MQTT協議傳輸的訊息進行快取。
下列的是Redis所對應的操作方式
- opsForValue： 對應 String（字串）
- opsForZSet： 對應 ZSet（有序集合）
- opsForHash： 對應 Hash（雜湊）
- opsForList： 對應 List（列表）
- opsForSet： 對應 Set（集合）
- opsForGeo： 對應 GEO（地理位置）
我主要使用opsForValue,opsForHash和opsForZSet，對於字串。我推薦使用StringRedisTemplate。
以下對於opsForValue和opsForHash的基礎操作，我在這裡簡短的講解一下。
Redis的Hash資料機構
Redis的雜湊可以讓使用者將多個鍵值對儲存到一個Redis鍵裡面。 public interface HashOperations<H,HK,HV> HashOperations提供一系列方法操作hash：
java > template.opsForHash().put("books","java","think in java");
redis-cli > hset books java "think in java" # 命令列的字串如果包含空格，要用引號括起來
(integer) 1
------
java > template.opsForHash().put("books","golang","concurrency in go");
redis-cli > hset books golang "concurrency in go"
(integer) 1
------
java > template.opsForHash().put("books","python","python cookbook");
redis-cli > hset books python "python cookbook"
(integer) 1
------
java > template.opsForHash().entries("books")
redis-cli > hgetall books # entries()，key 和 value 間隔出現
1) "java"
2) "think in java"
3) "golang"
4) "concurrency in go"
5) "python"
6) "python cookbook"
------
java > template.opsForHash().size("books")
redis-cli > hlen books
(integer) 3
------
java > template.opsForHash().get("redisHash","age")
redi-cli > hget books java
"think in java"
------
java >
Map<String,Object> testMap = new HashMap();
testMap.put("java","effective java");
testMap.put("python","learning python");
testMap.put("golang","modern golang programming");
template.opsForHash().putAll("books",testMap);
redis-cli > hmset books java "effective java" python "learning python" golang "modern golang programming" # 批量 set
OK...
複製程式碼Redis的Set資料結構
Redis的Set是string型別的無序集合。集合成員是唯一的，這就意味著集合中不能出現重複的資料。 Redis 中 集合是通過雜湊表實現的，所以新增，刪除，查詢的複雜度都是O(1)。
java > template.opsForSet().add("python","java","golang")
redis-cli > sadd books python java golang
(integer) 3
------
java > template.opsForSet().members("books")
redis-cli > smembers books # 注意順序，和插入的並不一致，因為 set 是無序的
1) "java"
2) "python"
3) "golang"
------
java > template.opsForSet().isMember("books","java")
redis-cli > sismember books java # 查詢某個 value 是否存在，相當於 contains(o)
(integer) 1
------
java > template.opsForSet().size("books")
redis-cli > scard books # 獲取長度相當於 count()
(integer) 3
------
java > template.opsForSet().pop("books")
redis-cli > spop books # 彈出一個
"java"...
複製程式碼MQTT
MQTT是一種輕量級的釋出/訂閱訊息傳遞協議，最初由IBM和Arcom（後來成為Eurotech的一部分）於1998年左右建立。現在，MQTT 3.1.1規範已由OASIS聯盟標準化。
客戶端下載
對於MQTT客戶端，我選用Eclipse Paho,Eclipse Paho專案提供針對物聯網（IoT）的新的，現有的和新興的應用程式的MQTT和MQTT-SN訊息傳遞協議的開源客戶端實現。具體下載地址,大家根據自己的作業系統自行下載。
MQTT控制報文
├── Connect -- 連線服務端
├── DisConnect -- 斷開連線
├── PingReq -- 心跳請求
├── PubAck -- 釋出確認
├── PubComp -- 釋出完成(QoS2,第散步)
├── Publish -- 釋出訊息
├── PubRec -- 釋出收到(QoS2,第一步)
├── PubRel -- 釋出釋放(QoS2,第二步)
├── Subscribe -- 訂閱主題
├── UnSubscribe -- 取消訂閱
複製程式碼Connect
讓我們對照著MQTT 3.1.1協議來實現客戶端Connect協議。
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當我們對訊息解碼時，如果協議名不正確服務端可以斷開客戶端的連線，按照本規範，服務端不能繼續處理CONNECT報。
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服務端使用客戶端識別符號 (ClientId) 識別客戶端。連線服務端的每個客戶端都有唯一的客戶端識別符號（ClientId）。
// 訊息解碼器出現異常 if (msg.decoderResult().isFailure()) { Throwable cause = msg.decoderResult().cause(); if (cause instanceof MqttUnacceptableProtocolVersionException) { // 不支援的協議版本 MqttConnAckMessage connAckMessage = (MqttConnAckMessage) MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.CONNACK, false, MqttQoS.AT_MOST_ONCE, false, 0), new MqttConnAckVariableHeader(MqttConnectReturnCode.CONNECTION_REFUSED_UNACCEPTABLE_PROTOCOL_VERSION, false), null); channel.writeAndFlush(connAckMessage); channel.close(); return; } else if (cause instanceof MqttIdentifierRejectedException) { // 不合格的clientId MqttConnAckMessage connAckMessage = (MqttConnAckMessage) MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.CONNACK, false, MqttQoS.AT_MOST_ONCE, false, 0), new MqttConnAckVariableHeader(MqttConnectReturnCode.CONNECTION_REFUSED_IDENTIFIER_REJECTED, false), null); channel.writeAndFlush(connAckMessage); channel.close(); return; } channel.close(); return; } 複製程式碼 -
clientId為空或null的情況, 這裡要求客戶端必須提供clientId, 不管cleanSession是否為1, 此處沒有參考標準協議實現
if (StrUtil.isBlank(msg.payload().clientIdentifier())) { MqttConnAckMessage connAckMessage = (MqttConnAckMessage) MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.CONNACK, false, MqttQoS.AT_MOST_ONCE, false, 0), new MqttConnAckVariableHeader(MqttConnectReturnCode.CONNECTION_REFUSED_IDENTIFIER_REJECTED, false), null); channel.writeAndFlush(connAckMessage); channel.close(); return; } 複製程式碼 -
使用者名稱和密碼驗證, 這裡要求客戶端連線時必須提供使用者名稱和密碼, 不管是否設定使用者名稱標誌和密碼標誌為1, 此處沒有參考標準協議實現
String username = msg.payload().userName(); String password = msg.payload().passwordInBytes() == null ? null : new String(msg.payload().passwordInBytes(), CharsetUtil.UTF_8); if (!grozaAuthService.checkValid(username,password)) { MqttConnAckMessage connAckMessage = (MqttConnAckMessage) MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.CONNACK, false, MqttQoS.AT_MOST_ONCE, false, 0), new MqttConnAckVariableHeader(MqttConnectReturnCode.CONNECTION_REFUSED_BAD_USER_NAME_OR_PASSWORD, false), null); channel.writeAndFlush(connAckMessage); channel.close(); return; } 複製程式碼 -
如果會話中已儲存這個新連線的clientId, 就關閉之前該clientId的連線
if (grozaSessionStoreService.containsKey(msg.payload().clientIdentifier())){ SessionStore sessionStore = grozaSessionStoreService.get(msg.payload().clientIdentifier()); Channel previous = sessionStore.getChannel(); Boolean cleanSession = sessionStore.isCleanSession(); if (cleanSession){ grozaSessionStoreService.remove(msg.payload().clientIdentifier()); grozaSubscribeStoreService.removeForClient(msg.payload().clientIdentifier()); grozaDupPublishMessageStoreService.removeByClient(msg.payload().clientIdentifier()); grozaDupPubRelMessageStoreService.removeByClient(msg.payload().clientIdentifier()); } previous.close(); } 複製程式碼 -
處理遺囑資訊
SessionStore sessionStore = new SessionStore(msg.payload().clientIdentifier(), channel, msg.variableHeader().isCleanSession(), null); if (msg.variableHeader().isWillFlag()){ MqttPublishMessage willMessage = (MqttPublishMessage) MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.PUBLISH,false, MqttQoS.valueOf(msg.variableHeader().willQos()),msg.variableHeader().isWillRetain(),0), new MqttPublishVariableHeader(msg.payload().willTopic(),0), Unpooled.buffer().writeBytes(msg.payload().willMessageInBytes()) ); sessionStore.setWillMessage(willMessage); } 複製程式碼 -
處理連線心跳包
if (msg.variableHeader().keepAliveTimeSeconds() > 0){ if (channel.pipeline().names().contains("idle")){ channel.pipeline().remove("idle"); } channel.pipeline().addFirst("idle",new IdleStateHandler(0, 0, Math.round(msg.variableHeader().keepAliveTimeSeconds() * 1.5f))); } 複製程式碼 -
至此儲存會話訊息及返回接受客戶端連線 將clientId儲存到channel的map中
grozaSessionStoreService.put(msg.payload().clientIdentifier(),sessionStore); channel.attr(AttributeKey.valueOf("clientId")).set(msg.payload().clientIdentifier()); Boolean sessionPresent = grozaSessionStoreService.containsKey(msg.payload().clientIdentifier()) && !msg.variableHeader().isCleanSession(); MqttConnAckMessage okResp = (MqttConnAckMessage) MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.CONNACK,false,MqttQoS.AT_MOST_ONCE,false,0), new MqttConnAckVariableHeader(MqttConnectReturnCode.CONNECTION_ACCEPTED,sessionPresent), null ); channel.writeAndFlush(okResp); 複製程式碼 -
如果cleanSession為0, 需要重發同一clientId儲存的未完成的QoS1和QoS2的DUP訊息
if (!msg.variableHeader().isCleanSession()){ List<DupPublishMessageStore> dupPublishMessageStoreList = grozaDupPublishMessageStoreService.get(msg.payload().clientIdentifier()); List<DupPubRelMessageStore> dupPubRelMessageStoreList = grozaDupPubRelMessageStoreService.get(msg.payload().clientIdentifier()); dupPublishMessageStoreList.forEach(dupPublishMessageStore -> { MqttPublishMessage publishMessage = (MqttPublishMessage)MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.PUBLISH,true,MqttQoS.valueOf(dupPublishMessageStore.getMqttQoS()),false,0), new MqttPublishVariableHeader(dupPublishMessageStore.getTopic(),dupPublishMessageStore.getMessageId()), Unpooled.buffer().writeBytes(dupPublishMessageStore.getMessageBytes()) ); channel.writeAndFlush(publishMessage); }); dupPubRelMessageStoreList.forEach(dupPubRelMessageStore -> { MqttMessage pubRelMessage = MqttMessageFactory.newMessage( new MqttFixedHeader(MqttMessageType.PUBREL,true,MqttQoS.AT_MOST_ONCE,false,0), MqttMessageIdVariableHeader.from(dupPubRelMessageStore.getMessageId()), null ); channel.writeAndFlush(pubRelMessage); }); } 複製程式碼其他MQTT報文大家對照著工程並對照著MQTT v3.1.1自行檢視!
使用者名稱密碼認證
/**
* 使用者名稱和密碼認證服務
* @author 穆書偉
*/
@Service
public class AuthServiceImpl implements GrozaAuthService {
private RSAPrivateKey privateKey;
@Override
public boolean checkValid(String username, String password) {
if (StringUtils.isEmpty(username)){
return false;
}
if (StringUtils.isEmpty(password)){
return false;
}
RSA rsa = new RSA(privateKey,null);
String value = rsa.encryptBcd(username, KeyType.PrivateKey);
return value.equals(password) ? true : false;
}
@PostConstruct
public void init() {
privateKey = IoUtil.readObj(AuthServiceImpl.class.getClassLoader().getResourceAsStream("keystore/auth-private.key"));
}
}
複製程式碼其他
關於Netty實現高效能IOT伺服器(Groza)之精盡程式碼篇中詳解到這裡就結束了。
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下文會帶大家推進Netty實現MQTT協議的IOT伺服器。
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作者：穆書偉
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