使用python實現MQTT發布、訂閱

MQTT簡介

MQTT 全稱為 Message Queuing Telemetry Transport（消息隊列遙測傳輸）是一種基於發布/訂閱范式的“輕量級”消息協議。該協議構建於TCP/IP協議上。

MQTT協議是輕量、簡單、開放和易於實現的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯網（IoT）。

其在，通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。

MQTT特點

1、使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合。該協議需要客戶端和服務端，而協議中主要有三種身份：發布者（Publisher）、代理（Broker，服務器）、訂閱者（Subscriber）。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，而消息發布者可以同時是訂閱者，實現了生產者與消費者的脫耦；

2、對負載內容屏蔽的消息傳輸；

3、使用 TCP/IP 提供網絡連接；

4、有三種消息發布服務質量：

“至多一次”，消息發布完全依賴底層 TCP/IP 網絡。會發生消息丟失或重復。這一級別可用於如下情況，環境傳感器數據，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久后還會有第二次發送。
“至少一次”，確保消息到達，但消息重復可能會發生。
“只有一次”，確保消息到達一次。這一級別可用於如下情況，在計費系統中，消息重復或丟失會導致不正確的結果。
5、小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是 2 字節），協議交換最小化，以降低網絡流量；

6、使用 Last Will 和 Testament 特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。

原理

 

 

MQTT協議有三種身份：發布者、代理、訂閱者，發布者和訂閱者都為客戶端，代理為服務器，同時消息的發布者也可以是訂閱者（為了節約內存和流量發布者和訂閱者一般都會定義在一起）。
MQTT傳輸的消息分為主題（Topic，可理解為消息的類型，訂閱者訂閱后，就會收到該主題的消息內容（payload））和負載（payload，可以理解為消息的內容）兩部分。

1.MQTT協議實現方式

實現MQTT協議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協議中有三種身份：發布者（Publish）、代理（Broker）（服務器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發布者可以同時是訂閱者。

MQTT傳輸的消息分為：主題（Topic）和負載（payload）兩部分：

（1）Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）后，就會收到該主題的消息內容（payload）；
（2）payload，可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

2.網絡傳輸與應用消息

MQTT會構建底層網絡傳輸：它將建立客戶端到服務器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基於字節流的雙向傳輸。

當應用數據通過MQTT網絡發送時，MQTT會把與之相關的服務質量（QoS）和主題名（Topic）相關連。

3.MQTT客戶端

一個使用MQTT協議的應用程序或者設備，它總是建立到服務器的網絡連接。客戶端可以：

• （1）發布其他客戶端可能會訂閱的信息；
• （2）訂閱其它客戶端發布的消息；
• （3）退訂或刪除應用程序的消息；
• （4）斷開與服務器連接。

4.MQTT服務端

MQTT服務器以稱為"消息代理"（Broker），可以是一個應用程序或一台設備。它是位於消息發布者和訂閱者之間，它可以：

• （1）接受來自客戶的網絡連接；
• （2）接受客戶發布的應用信息；
• （3）處理來自客戶端的訂閱和退訂請求；
• （4）向訂閱的客戶轉發應用程序消息。

5.MQTT協議中的訂閱、主題、會話

一、訂閱（Subscription）

訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和最大服務質量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關聯。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。

二、會話（Session）

每個客戶端與服務器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務器之間有狀態交互。會話存在於一個網絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續的網絡連接。

三、主題名（Topic Name）

連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配。服務器會將消息發送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。

四、主題篩選器（Topic Filter）

一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。

五、負載（Payload）

消息訂閱者所具體接收的內容。

6.MQTT協議中的方法

MQTT協議中定義了一些方法（也被稱為動作），來於表示對確定資源所進行操作。這個資源可以代表預先存在的數據或動態生成數據，這取決於服務器的實現。通常來說，資源指服務器上的文件或輸出。主要方法有：

（1）Connect。等待與服務器建立連接。
（2）Disconnect。等待MQTT客戶端完成所做的工作，並與服務器斷開TCP/IP會話。
（3）Subscribe。等待完成訂閱。
（4）UnSubscribe。等待服務器取消客戶端的一個或多個topics訂閱。
（5）Publish。MQTT客戶端發送消息請求，發送完成后返回應用程序線程。

7.應用場景

因為它傳輸消息具有異步性（發布訂閱模式），同時該協議本身的輕量特定，因此可用於輕量級應用，

可作為物聯網的通信組件使用，例如樹莓派上完全可以搭建一個mqtt服務器，當未來智能家居全面普及的時候，

家居中的消息通訊都可用此實現，如智能冰箱溫度檢測，房間溫度檢測等信息都能通過mqtt去實現，遙感數據、

汽車檢測數據、智能家居、智慧城市、醫療醫護都具有應用場景。

Python代碼實現

客戶端

#!/usr/bin/env python  
# encoding: utf-8  
""" 
@version: v1.0 
@author: W_H_J 
@license: Apache Licence  
@contact: [e-mail] 
@software: PyCharm 
@file: clicentMqttTest.py 
@time: 2019/2/22 14:19 
@describe: mqtt客戶端
"""
import json
import sys
import os
import paho.mqtt.client as mqtt
import time
 
sys.path.append(os.path.abspath(os.path.dirname(__file__) + '/' + '..'))
sys.path.append("..")
 
TASK_TOPIC = 'test'  # 客戶端發布消息主題
 
client_id = time.strftime('%Y%m%d%H%M%S', time.localtime(time.time()))
"""
client_id是連接到代理。如果client_id的長度為零或為零，則行為為由使用的協議版本定義。如果使用MQTT v3.1.1，
那么一個零長度的客戶機id將被發送到代理，代理將被發送為客戶端生成一個隨機變量。如果使用MQTT v3.1，那么id將是
隨機生成的。在這兩種情況下，clean_session都必須為True。如果這在這種情況下不會產生ValueError。
注意：一般情況下如果客戶端服務端啟用兩個監聽那么客戶端client_id 不能與服務器相同，如這里用時間"20190222142358"作為它的id，
如果與服務器id相同，則無法接收到消息
"""
client = mqtt.Client(client_id, transport='tcp')
 
client.connect("127.0.0.1", 1883, 60)  # 此處端口默認為1883，通信端口期keepalive默認60
client.loop_start()
 
 
def clicent_main(message: str):
    """
    客戶端發布消息
    :param message: 消息主體
    :return:
    """
    time_now = time.strftime('%Y-%m-%d %H-%M-%S', time.localtime(time.time()))
    payload = {"msg": "%s" % message, "data": "%s" % time_now}
    # publish(主題：Topic; 消息內容)
    client.publish(TASK_TOPIC, json.dumps(payload, ensure_ascii=False))
    print("Successful send message!")
    return True
 
 
if __name__ == '__main__':
    msg = "我是一條測試數據！"
    clicent_main(msg)

服務端

#!/usr/bin/env python  
# encoding: utf-8  
""" 
@version: v1.0 
@author: W_H_J 
@license: Apache Licence  
@contact: [e-mail] 
@software: PyCharm 
@file: serverMqttTest.py 
@time: 2019/2/22 14:35 
@describe: mqtt 服務端
"""
import json
import sys
import os
import time
import paho.mqtt.client as mqtt
sys.path.append(os.path.abspath(os.path.dirname(__file__) + '/' + '..'))
sys.path.append("..")
 
REPORT_TOPIC = 'test'  # 主題
 
 
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print('connected to mqtt with resurt code ', rc)
    client.subscribe(REPORT_TOPIC)  # 訂閱主題
 
 
def on_message(client, userdata, msg):
    """
    接收客戶端發送的消息
    :param client: 連接信息
    :param userdata: 
    :param msg: 客戶端返回的消息
    :return: 
    """
    print("Start server!")
    payload = json.loads(msg.payload.decode('utf-8'))
    print(payload)
 
 
def server_conenet(client):
    client.on_connect = on_connect  # 啟用訂閱模式
    client.on_message = on_message  # 接收消息
    client.connect("127.0.0.1", 1883, 60)  # 鏈接
    # client.loop_start()   # 以start方式運行，需要啟動一個守護線程，讓服務端運行，否則會隨主線程死亡
    client.loop_forever()   # 以forever方式阻塞運行。
 
 
def server_stop(client):
    client.loop_stop()  # 停止服務端
    sys.exit(0)
 
 
def server_main():
    client_id = time.strftime('%Y%m%d%H%M%S', time.localtime(time.time()))
    client = mqtt.Client(client_id, transport='tcp')
    server_conenet(client)
 
 
if __name__ == '__main__':
    # 啟動監聽
    server_main()