[嵌入式]MQTT消息推送

MQTT简介

MQTT:
Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。
MQTT属于那一层:
TCP/IP参考模型可以分为四层：应用层、传输层、网络层、链路层。TCP和UDP位于传输层，应用层常见的协议有HTTP、FTP、SSH等。MQTT协议运行于TCP之上，属于应用层协议，因此只要是支持TCP/IP协议栈的地方，都可以使用MQTT
流程图：

MQTT特性

1. 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合
2. 对负载内容屏蔽的消息传输
3. 使用 TCP/IP 提供网络连接
4. 小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量。使用 Last Will 和 Testament 特性（最后遗嘱）通知有关各方客户端异常中断的机制
5. 有三种消息发布服务质量：
   qos为0：“至多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
   qos为1：“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。这一级别可用于如下情况，你需要获得每一条消息，并且消息重复发送对你的使用场景无影响。
   qos为2：“只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

MQTT协议原理

实现方式 : 实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：
（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

环境搭建

服务端搭建

1. 开源的mqtt服务器有：EMQX，Mosquitto，Apollo：ActiveMQ的升级版
   这里我使用的是Apollo，可以直接在Windows上安装.
   下载 Apollo
   下载：http://archive.apache.org/dist/activemq/activemq-apollo/1.7.1/
   

2. 安装
   解压得到如下文件。
   这里需要注意了，解压 apache-apollo-1.7.1 所在文件夹名称不能有 中文或者空格，后面会提到出现什么错误。
   安装 JDK，配置环境变量
   进入 apache-apollo-1.7.1-windows-distro\apache-apollo-1.7.1\bin 文件夹
   cmd 窗口执行 apollo.cmd，可以看到如下的信息
   

3. 创建服务器实例
   在 CMD 命令窗口输入 apollo create mqtt，当然 mqtt 这个名字可以随便起。
   

4. 创建成功后:
   然后查看 mqtt可以发现里面包含有很多信息，其中etc\apollo.xml文件下是配置服务器信息的文件，etc\users.properties文件包含连接MQTT服务器时用到的用户名和密码，可以修改原始的admin=password，可以接着换行添加新的用户名密码。
   bin：保存与该实例关联的执行脚本。
   etc：保存实例配置文件
   data：保存用于存储持久消息的数据文件
   日志：保存旋转日志文件
   tmp：保存在代理运行之间安全删除的临时文件
   
   

5. 打开cmd，运行 apache-apollo-1.7.1\bin\mybroker\bin\apollo-broker.cmd run 开启服务器，如下图所示：
   红框中的地址和端口会用到
   然后打开浏览器上，输入 http://127.0.0.1:61680/ 或 https://127.0.0.1:61681/
   即可进入 Apollo Console 窗口进行登录。
   
   

6. 安装mqtt客户端 可以用MQTTLens，paho，连接apollo服务，我这里用的paho
   设置好参数后,就可以连接了
   
   

7. apollo目录下有一个example，其中有个文件，可以双击点开然后也可以连接apollo，来发布和订阅topic消息，从而可以和phao互动，达到聊天室的功能
   
   Android客户端：

8. Android demo
   1.build.gradle中添加依赖（根目录）
   模块下的build.gradle导入paho
   2.开启服务，如下：在deviceservice进程开启MQTT服务
   

• 初始化

/**
     * 初始化
     */
    private void init() {
        String serverURI = HOST; //服务器地址（协议+地址+端口号）
        mqttAndroidClient = new MqttAndroidClient (this, serverURI, CLIENT_ID);
        mqttAndroidClient.setCallback(mqttCallback); //设置监听订阅消息的回调
        mMqttConnectOptions = new MqttConnectOptions ();
        mMqttConnectOptions.setCleanSession(true); //设置是否清除缓存
        mMqttConnectOptions.setConnectionTimeout(10); //设置超时时间，单位：秒
        mMqttConnectOptions.setKeepAliveInterval(20); //设置心跳包发送间隔，单位：秒
        mMqttConnectOptions.setUserName(USERNAME); //设置用户名
        mMqttConnectOptions.setPassword(PASSWORD.toCharArray()); //设置密码

        // last will message
        boolean doConnect = true;
        String message = "{\"terminal_uid\":\"" + CLIENT_ID + "\"}";
        String topic = PUBLISH_TOPIC;
        int qos = 2;
        boolean retained = false;
        if (!TextUtils.isEmpty (message) && !TextUtils.isEmpty (topic)) {
            // 最后的遗嘱
            try {
                mMqttConnectOptions.setWill(topic, message.getBytes(), qos, retained);
            } catch (Exception e) {
                Log.i(TAG, "Exception Occured", e);
                doConnect = false;
                iMqttActionListener.onFailure(null, e);
            }
        }
        if (doConnect) {
            doClientConnection();
        }
    }

• 连接

 /**
     * 连接MQTT服务器
     */
    private void doClientConnection() {
        if (!mqttAndroidClient.isConnected() && isConnectIsNomarl()) {
            try {
                mqttAndroidClient.connect(mMqttConnectOptions, null, iMqttActionListener);
            } catch (MqttException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

• 订阅

/**
     * MQTT是否连接成功的监听
     */
    private IMqttActionListener iMqttActionListener = new IMqttActionListener() {

        @Override
        public void onSuccess(IMqttToken arg0) {
            Log.i(TAG, "连接成功 ");
            try {
                mqttAndroidClient.subscribe(PUBLISH_TOPIC, 2);//订阅主题，参数：主题、服务质量
            } catch (MqttException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void onFailure(IMqttToken arg0, Throwable arg1) {
            arg1.printStackTrace();
            Log.i(TAG, "连接失败 ");
            doClientConnection();//连接失败，重连（可关闭服务器进行模拟）
        }
    };

• 发布

/**
     * 发布 （模拟其他客户端发布消息）
     *
     * @param message 消息
     */
    public static void publish(String message) {
        String topic = PUBLISH_TOPIC;
        int qos = 2;
        boolean retained = false;
        try {
            //参数分别为：主题、消息的字节数组、服务质量、是否在服务器保留断开连接后的最后一条消息
            mqttAndroidClient.publish(topic, message.getBytes(), qos, retained);
        } catch (MqttException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

• 接收

/**
     * 接收
     */
    private MqttCallback mqttCallback = new MqttCallback() {

        @Override
        public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
            Log.i(TAG, "收到消息： " + new String(message.getPayload()));
            //收到消息，这里弹出Toast表示。如果需要更新UI，可以使用广播或者EventBus进行发送
            Toast.makeText(getApplicationContext(), "messageArrived: " + new String(message.getPayload()), Toast.LENGTH_LONG).show();
            //收到其他客户端的消息后，响应给对方告知消息已到达或者消息有问题等
            response("message arrived");
        }

        @Override
        public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken arg0) {

        }

        @Override
        public void connectionLost(Throwable arg0) {
            Log.i(TAG, "连接断开 ");
            doClientConnection();//连接断开，重连
        }
    };

MQTT协议数据包结构

数据结构：
在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。MQTT数据包结构如下：
（1）固定头（Fixed header）。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
（2）可变头（Variable header）。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
（3）消息体（Payload）。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。
固定头：

• MQTT固定报文头最少有两个字节，第一字节包含消息类型（Message Type）和QoS级别等标志位。第二字节开始是剩余长度字段，该长度是后面的可变报文头加消息负载的总长度，该字段最多允许四个字节
  剩余长度字段单个字节最大值为二进制0b0111 1111，16进制0x7F。也就是说，单个字节可以描述的最大长度是127字节。为什么不是256字节呢？因为MQTT协议规定，单个字节第八位（最高位）若为1，则表示后续还有字节存在，第八位起“延续位”的作用。
  例如，数字64，编码为一个字节，十进制表示为64，十六进制表示为0×40。数字321（65+2*128）编码为两个字节，重要性最低的放在前面，第一个字节为65+128=193（0xC1），第二个字节是2（0x02），表示2×128。

• 假如数字 68 ，16进制表示 0X44 ，大小小于127 ，所以 编码规则和常规一样。就是0X44.
  假如数字 321 大于127 ，所以编码需要遵守编码规则，应该是 0XC1 0X02，具体的解释如图
  

• 数据总长155字节：34 98 01 00 0a 74 6f 70 69 63
  5f 74 65 73 74 00 02 e4 bd a0 e5 a5 bd e5 91 80
  e3 80 82 e3 80 82 66 67 67 67 25 79 67 67 67 68
  68 68 68 68 68 68 68 75 75 68 68 68 68 68 67 67
  67 68 68 68 67 68 68 68 75 6a 68 68 62 68 67 67
  67 76 76 76 76 76 76 76 76 62 62 62 68 6a 6a 6a
  6a 6a 6a 6a 6a 6e 62 67 67 79 68 68 6a 68 68 68
  68 68 6a 6a 68 6a 6a 6a 68 68 68 68 68 68 68 68
  68 68 68 68 68 68 68 68 68 68 68 62 62 67 67 68
  6a 6a 68 68 67 67 67 62 62 62 76 66 67 67 68 68
  68
  内容长度：98 01 0x98 二进制：1001 1000 出去第一位标志位后：11000 十进制为24 内容长度为：24+128*01=152 总长是155减去前面3个字节为152
  

• 数据总长36字节：34 22 00 0f 6d 65 73 73 61 67
  65 5f 61 72 72 69 76 65 64 00 05 6d 65 73 73 61
  67 65 20 61 72 72 69 76 65 64
  内容长度：0x22 十进制为34 内容长度为：34 总长是36减去前面2个字节为34
  

• 由于MQTT协议最多只允许使用四个字节表示剩余长度（如表1），并且最后一字节最大值只能是0x7F不能是0xFF，所以能发送的最大消息长度是256MB，而不是512MB。
  
  可变报文头：
  MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是作为包的标识：
  很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。
  消息类型：
  固定报文头中的第一个字节包含连接标志（Connect Flags），连接标志用来区分MQTT的消息类型。MQTT协议拥有14种不同的消息类型（如表2），可简单分为连接及终止、发布和订阅、QoS 2消息的机制以及各种确认ACK。至于每一个消息类型会携带什么内容，这里不多阐述
  
  消息质量：
  MQTT消息质量有三个等级，QoS 0，QoS 1和 QoS 2。
  QoS 0：最多分发一次。消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络，协议里没有定义应答和重试，消息要么只会到达服务端一次，要么根本没有到达。
  QoS 1：至少分发一次。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或发送设备异常，或者指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。
  QoS 2：只分发一次。这是最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。
  通过下面的例子可以更深刻的理解上面三个传输质量等级。
  比如目前流行的共享单车智能锁，智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器，发送单车的当前位置，如果服务器没收到也没关系，反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置，找到单车后需要进行解锁，这时候可以使用QoS level 1质量消息，手机App不断的发送解锁消息给单车锁，确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后，需要提交付款表单，可以使用QoS level 2质量消息，这样确保只传递一次数据，否则用户就会多付钱了。

遗愿标志（Will Flag）：
在可变报文头的连接标志位字段（Connect Flags）里有三个Will标志位：Will Flag、Will QoS和Will Retain Flag，这些Will字段用于监控客户端与服务器之间的连接状况。如果设置了Will Flag，就必须设置Will QoS和Will Retain标志位，消息主体中也必须有Will Topic和Will Message字段。
那遗愿消息是怎么回事呢？服务器与客户端通信时，当遇到异常或客户端心跳超时的情况，MQTT服务器会替客户端发布一个Will消息。当然如果服务器收到来自客户端的DISCONNECT消息，则不会触发Will消息的发送。
因此，Will字段可以应用于设备掉线后需要通知用户的场景。

保活机制：
MQTT客户端可以设置一个心跳间隔时间（keep Alive Timer），表示在每个心跳检测时间内发送一条消息。如果在这个时间周期内，没有业务数据相关的消息，客户端会发送一个PINGREQ消息，相应的，服务器会返回一个PINGRESP消息进行确认。
如果服务器在一个半（1.5）个心跳间隔时间周期内没有收到来自客户端的消息，就会断开与客户端的连接。心跳间隔时间最大值可以设置为18个小时，0表示客户端不会断开

报文内容解析：
帧内容 依据传输内容的不一样，所占字节的长度也不一样。比如会包含用户名，密码的信息，不同的服务器不同的用户肯定不一样。注意：帧内容里的数据主要是字符串，需要符合UTF-8编码规范。
简单说一下帧内容的出现场合

• 连接报文：
  10
  4a
  00 04 4d 51 54 54
  04
  d6
  00 14
  00 06 31 32 33 34 35 36
  00 0a 74 6f 70 69 63 5f 74 65 73 74
  00 19
  7b 22 74 65 72 6d 69 6e 61 6c 5f 75 69 64 22 3a 22 31 32 33 34 35 36 22 7d
  00 05
  61 64 6d 69 6e
  00 08
  70 61 73 73 77 6f 72 64
  连接报文
  连接请求第一字节固定是0x10
  第二个字节4a
  为内容长度0x4a 十进制为74 数据长度
  

• 可变头”：协议名（UTF-8编码）+协议版本1字节+连接的标识符1字节+心跳包时间2字节
  协议名： 00 04 4d 51 54 54 “MQTT”固定值
  协议版本：04 一字节
  连接标识符：d6 一字节 二进制为
  1101 0110 (有用户名，有密码，客户端掉线后服务器清空客户端的信息)
  心跳包时间： 00 14 十进制为 20 s

• 有效内容： “用户ID” + “临终消息主题” + “临终消息” + “用户名” + “密码”
  00 06 31 32 33 34 35 36 00 0a 74 6f 70 69 63 5f 74 65 73 74 00 19 7b 22 74 65 72 6d 69 6e 61 6c 5f 75 69 64 22 3a 22 31 32 33 34 35 36 22 7d 00 05 61 64 6d 69 6e 00 08 70 61 73 73 77 6f 72 64
  用户ID 必须保持唯一，在一个服务器上的所有设备，每个设备的ID都不一样；应该从服务器那里获取用户名和密码；“临终消息主题”和“临终消息”如果可变头里面的 连接标识符没有允许，就不要添加了。
  2字节长度： 00 06 用户名： 31 32 33 34 35 36 “123456”
  2字节长度： 00 0a 临终主题： 74 6f 70 69 63 5f 74 65 73 74 “topic_test”
  2字节长度： 00 19 临终主题： 7b 22 74 65 72 6d 69 6e 61 6c 5f 75 69 64 22 3a 22 31 32 33 34 35 36 22 7d “{“terminal_uid”:“123456”}”
  2字节长度： 00 05 用户名： 61 64 6d 69 6e “admin”
  2字节长度： 00 08 用户名： 70 61 73 73 77 6f 72 64 “password”
  

• 连接确认报文
  20 02 00 00
  发送成功之后，服务器会返回（16进制格式） 20 02 00 00
  如果接收到上述返回的消息，证明已经成功和服务器建立了可靠连接。分析一下来自服务器的消息含义：第一个字节 20 可以从固定头那一节查到，是服务器发送的数据，叫做“连接确认”；第二个字节02表示后面还有两个数据；后面的两个数据 00 00 ，表示两个有效数据。后面发送两个数据的一层意思是，验证从机连接的协议是否正确，即从机接收到02这个数据后应该判断是否真的接收到了两个数据，如果不是，那证明通信时有问题的。
  

• _按时发送心跳包，和服务器保持联系
  其实这里的心跳包，是通过发送 “Ping 请求” 给服务器来实现的。在连接服务器的时候，我们设置了心跳包时间为60S，那么我们需要每60S之内就和服务器“Ping 请求”一次，证明网络链接是可靠的，如果接收不到服务器的返回，那么可能是我们的网络掉线了。
  发送： C0 00 接收： D0 00 _
  

• 客户端发送订阅请求：
  82 0f 00 01 00 0a 74 6f 70 69 63 5f 74 65 73 74 02
  第一字节：0x82
  第二字节：0x0f 数据长度 15
  

• 服务端发送订阅确定：
  90 03 00 01 02
  第一字节：0x90
  第二字节：0x03 数据长度 3
  

• 服务端发送消息：
  34 1d 00 0a 74 6f 70 69 63 5f 74 65 73 74 00 02 e4 bd a0 e5 a5 bd e5 91 80 e3 80 82 e3 80 82第一字节：0x34
  发布消息的固定报文类型是3
  DUP是重发标志，如果DUP标志被设置为0，表示这是客户端或服务端第一次请求发送这个PUBLISH报文。如果DUP标志被设置为1，表示这可能是一个早前报文请求的重发。
  Qos是服务质量等级，有三种状态。
  第二字节：0x1d 数据长度 29
  第三四字节：00 0a 主题内容长度长度 10
  74 6f 70 69 63 5f 74 65 73 74 为主题 “topic_test”
  
  

• 服务端发送订阅确定：
  34 1d 00 0a 74 6f 70 69 63 5f 74 65 73 74 00 02 e4 bd a0 e5 a5 bd e5 91 80 e3 80 82 e3 80 82
  第一字节0x34 可以看出 Qos消息质量为 Qos2
  00 02 消息标识，消息id 当Qos 为1或者2是每个消息都有一个id，因为需要消息确认
  e4 bd a0 e5 a5 bd e5 91 80 e3 80 82 e3 80 82
  为消息内容 “你好呀。。”
  
  

• qos0：最多就发送一次，你别告诉我你收没收到，你找到订阅这个主题的你就推就行。
  qos1：至少发送一次，发送完你告诉我你收没收到（PUBACK），如果你不告诉我，我就一直发。
  qos2：确保一次送达，我给你发（PUBLISH），你给我回一个你收到了（PUBREC），我再给你发一个你确定你收到了吗（PUBREL），你再给我回一个收到了（PUBCOMP
  

• PUBACK报文是对QoS 1等级的PUBLISH报文的响应。
  1.固定头
  没啥说的，类型4. 所以返回头是 0x4…开头
  2.可变头
  可变头就俩个字节。就是报文标识符。
  因为我使用的是Qos2 所以没有收到发布确认
  

• 发布收到
  PUBREC报文是对QoS等级2的PUBLISH报文的响应。它是QoS 2等级协议交换的第二个报文。
  1.固定头
  没啥说的，类型5.
  2.可变头
  可变头就俩个字节。就是报文标识符。
  50 02 00 11
  50固定头，02为长度，00 11 为消息id
  
  

• 发布释放
  PUBREL报文是对PUBREC报文的响应。它是QoS 2等级协议交换的第三个报文。
  1.固定头
  没啥说的，类型6.
  2.可变头
  可变头就俩个字节。就是报文标识符。
  

• 发布完成
  PUBCOMP报文是对PUBREL报文的响应。它是QoS 2等级协议交换的第四个也是最后一个报文。
  1.固定头
  没啥说的，类型7.
  2.可变头
  可变头就俩个字节。就是报文标识符。
  70 02 00 11
  

MQTT数据安全

MQTT的安全：
由于MQTT运行于TCP层之上并以明文方式传输，这就相当于HTTP的明文传输，使用Wireshark可以完全看到MQTT发送的所有消息，消息指令一览无遗，如图1所示。
这样可能会产生以下风险：
设备可能会被盗用；
客户端和服务端的静态数据可能是可访问的（可能会被修改）；
协议行为可能有副作用（如计时器攻击）；
拒绝服务攻击；
通信可能会被拦截、修改、重定向或者泄露；
虚假控制报文注入。

• 安全功能可以从三个层次来考虑——应用层、传输层、网络层
  （1）应用层：在应用层上，MQTT提供了客户标识（Client Identifier）以及用户名和密码，可以在应用层验证设备。
  （2）传输层：类似于HTTPS，MQTT基于TCP连接，也可以加上一层TLS，传输层使用TLS加密是确保安全的一个好手段，可以防止中间人攻击。客户端证书不但可以作为设备的身份凭证，还可以用来验证设备。
  （3）网络层：如果有条件的话，可以通过拉专线或者使用VPN来连接设备与MQTT代理，以提高网络传输的安全性。
• MQTT支持两种层次的认证：
  应用层：MQTT支持客户标识、用户名和密码认证；
  传输层：传输层可以使用TLS，除了加密通讯，还可以使用X509证书来认证设备。
  客户标识
  MQTT客户端可以发送最多65535个字符作为客户标识（Client Identifier），一般来说可以使用嵌入式芯片的MAC地址或者芯片序列号。虽然使用客户标识来认证可能不可靠，但是在某些封闭环境或许已经足够了。
  用户名和密码
  MQTT协议支持通过CONNECT消息的username和password字段发送用户名和密码。
  用户名及密码的认证使用起来非常方便，不过由于它们是以明文形式传输，所以使用抓包工具就可以轻易的获取。
  数据加密 RSA MD5等
• 在传输层认证
  在传输层认证是这样的：MQTT代理在TLS握手成功之后可以继续发送客户端的X509证书来认证设备，如果设备不合法便可以中断连接。使用X509认证的好处是，在传输层就可以验证设备的合法性，在发送CONNECT消息之前便可以阻隔非法设备的连接，以节省后续不必要的资源浪费。而且，MQTT协议运行在使用TLS时，除了提供身份认证，还可以确保消息的完整性和保密性。

如有不对，不足之处请帮忙指出，谢谢