Протокол MQTT и платформа Alibaba Cloud IoT

1. Введение в протокол MQTT

1.1 Протокол MQTT

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) — это протокол обмена сообщениями, построенный на стеке TCP/IP, который поддерживает асинхронную связь между сторонами. MQTT разделяет отправителей и получателей сообщений в пространстве и времени, поэтому его можно масштабировать в ненадежных сетевых средах. Хотя он и называется транспортом телеметрии очереди сообщений, он не имеет ничего общего с очередью сообщений и вместо этого использует модель публикации и подписки (Pub/Sub).

MQTT — это легкий и гибкий сетевой протокол, который стремится найти правильный баланс для разработчиков IoT:

• Этот упрощенный протокол может быть реализован на оборудовании устройства с жесткими ограничениями и в сетях с высокой задержкой/ограниченной пропускной способностью.
• Его гибкость позволяет поддерживать различные варианты использования устройств и услуг IoT.

1.2 Клиентская библиотека MQTT

Клиентская библиотека MQTT реализована на многих языках, включая Embedded C, C, Java, JavaScript, Python, C++, C#, Go, iOS, Android и т. д. Адрес загрузки библиотеки MQTT Eclipse Paho:Woohoo.eclipse.org/afraid/down…

Следующая практика разработки основана на версии mqtt Nodejs для получения адресаУууу, у этой лошади плюс .com/package/ нет будущего…

1.3 MQTT-сообщение

1.3.1 Фиксированный заголовок Фиксированный заголовок

тип управляющего сообщения

название	ценность	Направление потока пакетов	описывать
Reserved	0	запретить	резерв
CONNECT	1	Client -> Broker	устройство подключается к платформе IoT
CONNACK	2	Broker -> Client	Платформа IoT подтверждает результат соединения
PUBLISH	3	двусторонний	опубликовать новость
PUBACK	4	двусторонний	Получено подтверждение публикации сообщения QoS=1
PUBREC	5	двусторонний	Интернет вещей не поддерживает
PUBREL	6	двусторонний	Интернет вещей не поддерживает
PUBCOMP	7	двусторонний	Интернет вещей не поддерживает
SUBSCRIBE	8	Client -> Broker	устройство подписывается на платформу IoT Тема
SUBACK	9	Broker -> Client	Платформа IoT подтверждает результат подписки
UNSUBSCRIBE	10	Client -> Broker	устройство отписаться от платформы IoT Тема
UNSUBACK	11	Broker -> Client	Платформа IoT подтверждает результат отмены подписки
PINGREQ	12	Client -> Broker	устройство отправляет запрос сердцебиения на платформу IoT
PINGRESP	13	Broker -> Client	Платформа IoT реагирует на пульс устройства
DISCONNECT	14	Client -> Broker	устройство отключает платформу IoT
Reserved	15	запретить	резерв

Бит флага типа управляющего сообщения

управляющее сообщение	фиксированный флаг заголовка	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
PUBLISH	Использование MQTT 3.1.1	DUP	QoS	QoS	RETAIN

оставшаяся длина

количество байтов	минимум	максимальное значение
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)

Примечание. Максимальная полезная нагрузка Alibaba Cloud IoT составляет 256 КБ.

1.3.2 Переменный заголовок Переменный заголовок

Некоторые управляющие сообщения MQTT содержат переменный заголовок. Он находится между фиксированным заголовком и полезной нагрузкой. Содержимое заголовка переменной зависит от типа пакета. Поле Packet Identifier в заголовке переменной существует во многих типах пакетов.

Байты идентификатора пакета

Bit	7 - 0
byte 1	Идентификатор сообщения, старший бит
byte 2	Младший бит идентификатора пакета

управляющее сообщение	идентификатор сообщения
PUBLISH	Обязательно (если QoS = 1, 2)
PUBACK	необходимость
PUBREC	необходимость
PUBREL	необходимость
PUBCOMP	необходимость
SUBSCRIBE	необходимость
SUBACK	необходимость
UNSUBSCRIBE	необходимость
UNSUBACK	необходимость

1.3.3 Полезная нагрузка

Следующее управляющее сообщение MQTT содержит полезную нагрузку в последней части сообщения. Для PUBLISH полезной нагрузкой является деловое сообщение.

управляющее сообщение	Полезная нагрузка
CONNECT	необходимость
PUBLISH	по желанию
SUBSCRIBE	необходимость
SUBACK	необходимость
UNSUBSCRIBE	необходимость

2. Установите соединение с платформой Alibaba Cloud IoT.

2.1 CONNECT

Протокол MQTT платформы Alibaba Cloud IoT не поддерживает сообщение will.Параметры содержимого сообщения CONNECT следующие:

clientId, имя пользователя и пароль генерируются триплетом устройства (productKey, deviceName, deviceSecret) в соответствии с правилами. Конкретные правила заключаются в следующем:

Официальная документация:help.aliyun.com/document_…

Пример кода на стороне устройства (версия Nodejs) client.js

/**
"dependencies": { "mqtt": "2.18.8" }
*/
const crypto = require('crypto');
const mqtt = require('mqtt');
//设备身份三元组+区域
const deviceConfig = {
    productKey: "替换",
    deviceName: "替换",
    deviceSecret: "替换",
    regionId: "cn-shanghai"
};
//根据三元组生成mqtt连接参数
const options = initMqttOptions(deviceConfig);
const url = `tcp://${deviceConfig.productKey}.iot-as-mqtt.${deviceConfig.regionId}.aliyuncs.com:1883`;

//2.建立连接
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平台mqtt连接参数初始化
function initMqttOptions(deviceConfig) {

    const params = {
        productKey: deviceConfig.productKey,
        deviceName: deviceConfig.deviceName,
        timestamp: Date.now(),
        clientId: Math.random().toString(36).substr(2),
    }
    //CONNECT参数
    const options = {
        keepalive: 60, //60s
        clean: false, //cleanSession保持持久会话
        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;
}

/*
  生成基于HmacSha1的password
  参考文档：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');
}

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 
}

2.4 PINGRESP

send pingreq packet => { cmd: 'pingreq' }

2.5 PINGRESP

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

2.6 DISCONNECT

3. Опубликовать данные

3.1 PUBLISH

//3.属性数据上报
const topic = `/sys/${deviceConfig.productKey}/${deviceConfig.deviceName}/thing/event/property/post`;
setInterval(function() {
    //发布数据到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);
}

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 
}

3.2 PUBACK

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

4. Получить данные

4.1 SUBSCRIBE

//4.订阅主题,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)
})

ПОДПИСАТЬСЯ тело сообщения

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

4.2 SUBACK

Тело сообщения SUBACK

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

4.3 UNSUBSCRIBE

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

4.4 UNSUBACK

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

5. Качество обслуживания QoS

6. Устройство отключается и снова подключается

Отношения подписки между устройством и Alibaba Cloud IoT поддерживаются в облаке. Если устройство активно не откажется от подписки, отношения подписки не будут очищены. После повторного подключения устройства предыдущие отношения подписки сохраняются, и повторная подписка не требуется.

7. Безопасность транспортного уровня TLS1.2

Связь между устройством и платформой IoT может быть зашифрована с помощью TLS v1.2. Если вы используете шифрование TLS, вам необходимо загрузить корневой сертификат. clientId в параметре CONNECTsecuremode=2

help.aliyun.com/document_…