Linux MQTT智能家居（MQTT框架）

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前言

本篇文章将会讲解MQTT的框架，我们这个项目使用到的MQTT源码库来自于一位大佬编写。
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一、MQTT通信框架

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息传递协议，适用于物联网和低带宽、不稳定网络环境中的通信。MQTT通信框架主要围绕服务器、发布者（Publisher）和订阅者（Subscriber）展开。

1.服务器（Broker）：
服务器是MQTT通信的中心组件，也称为代理（Broker）。它负责接收来自发布者的消息并将其传递给所有订阅者。服务器处理消息的路由、订阅管理、QoS级别处理、连接管理等功能。发布者和订阅者之间通过与服务器建立的连接进行通信。

2.发布者（Publisher）：
发布者是消息的发送方。它可以是物联网设备、传感器、应用程序等。发布者将消息发布到服务器上的特定主题（Topic）。主题是消息的识别标签，订阅者将根据主题来订阅感兴趣的消息。

3.订阅者（Subscriber）：
订阅者是消息的接收方。它可以是物联网设备、应用程序等。订阅者通过订阅服务器上的特定主题（Topic）来表明自己对某些消息感兴趣。当有新消息发布到该主题时，订阅者将收到相应的消息。

MQTT通信流程如下：

1.发布者将消息通过MQTT协议连接到服务器（Broker），并指定要发布的主题（Topic）以及消息内容。

2.服务器（Broker）接收到消息后，根据主题将其转发给订阅了该主题的所有订阅者。

3.订阅者将通过MQTT协议连接到服务器，并订阅自己感兴趣的主题（Topic）。

4.当服务器接收到新的消息，并且该消息的主题与某个订阅者的订阅主题匹配时，服务器将消息推送给该订阅者。

需要注意的是，MQTT协议支持不同的服务质量等级（QoS），发布者和订阅者可以根据消息的可靠性需求选择适当的QoS级别。

总结：MQTT通信框架基于服务器、发布者和订阅者之间的交互，通过服务器中转消息，并根据订阅关系将消息传递给订阅者。这种发布-订阅模型使得消息发送和接收的解耦和灵活性更高，并且适用于分布式、异构的环境中的物联网应用和其他消息传递场景

二、心跳包

MQTT 心跳包（Keep Alive）是一种机制，用于维持 MQTT 客户端与服务器之间的活动连接状态。它确保客户端和服务器之间的通信链路保持活跃，以防止连接超时或断开。

以下是 MQTT 心跳包的工作原理：

1.Keep Alive 值：在 MQTT 协议中，客户端在建立连接时会设置 Keep Alive 值。该值表示客户端希望与服务器保持的活动连接时间间隔，以秒为单位。通常，此值会设置为一个较小的时间间隔，例如 60 秒。

2.客户端发送心跳包：一旦客户端与服务器建立连接，它会周期性地发送心跳包给服务器。心跳包是一个特殊的空（zero-byte）消息，只包含 MQTT 固定头部和类型字段为 PingReq 的控制报文。

3.服务器响应心跳包：服务器收到心跳包后，会立即发送一个类型为 PongResp 的响应消息给客户端。服务器的响应表明它仍然处于活动状态。

4.心跳超时：如果客户端在 Keep Alive 时间内未收到服务器的响应，或者连接断开，则客户端可以判断与服务器的连接已断开。客户端可以重新连接服务器或采取其他适当的措施。

MQTT 心跳包的作用：

1.保持连接活跃：心跳包确保 MQTT 客户端和服务器之间的连接保持活跃，避免连接因长时间无活动而断开。

2.检测断开连接：通过监测心跳包的响应，客户端可以判断与服务器的连接是否正常。如果超过一定的时间未收到响应，客户端可以主动断开连接或尝试重新连接。

3.节省网络资源：心跳包的周期性发送相对较小，占用较少的网络资源。同时，较小的 Keep Alive 值可以更快地发现连接问题，减少对应用程序的影响。

通过使用心跳包，MQTT 可以构建可靠的、长时间持续的通信链路，确保设备与服务器之间的连接始终保持活动状态，并及时发现和处理连接问题。

三、项目中使用到的软件

本项目我们会使用到MQTTX这个软件：

MQTTX 是一个开源的跨平台 MQTT 客户端工具，用于在物联网开发和调试过程中与 MQTT 代理进行交互。它提供了直观和功能丰富的界面，方便用户进行 MQTT 消息的发布、订阅和管理。

以下是 MQTTX 的一些主要特点和功能：

支持多种操作系统：MQTTX 可以在 Windows、macOS 和 Linux 等多个操作系统上运行，提供了跨平台的支持。

直观的用户界面：MQTTX 提供了简洁直观的用户界面，易于使用和导航。用户可以轻松地配置连接参数、订阅主题、发布消息和查看消息交互。

完整的 MQTT 协议支持：MQTTX 支持 MQTT 3.1.1 和 MQTT 5.0 版本，包括各种 MQTT 消息的发布、订阅、连接管理和 QoS (服务质量) 等级控制。

主题订阅管理：用户可以在 MQTTX 中方便地管理订阅主题，并查看接收到的消息历史记录。同时，MQTTX 还支持通配符订阅，例如使用 “+” 和 “#” 进行通配符匹配。

快速发布和订阅消息：MQTTX 提供了快速和便捷的消息发布和订阅功能，用户可以实时查看消息的传输和接收情况。

连接信息和调试：MQTTX 显示与 MQTT 代理的连接状态、断开原因和错误信息，用户可以轻松调试连接问题。

数据可视化：MQTTX 支持以图表形式可视化 MQTT 消息数据，帮助用户更好地理解和分析传感器数据、实时指标等。

四、MQTT中服务器和客户端建立连接的步骤

1.客户端发送 CONNECT 报文：客户端通过 TCP/IP 协议与 MQTT 服务器建立网络连接后，会发送 CONNECT 报文给服务器。CONNECT 报文包含了客户端的身份标识、协议版本、连接标志以及保持连接的参数等信息。

2.服务器响应 CONNACK 报文：MQTT 服务器接收到客户端的 CONNECT 报文后，会进行验证和处理。如果一切正常，服务器会向客户端发送 CONNACK 报文作为响应。CONNACK 报文包含了服务器的连接确认状态以及连接返回码。

3.保持连接（Keep Alive）：一旦连接建立，在客户端和服务器之间的通信中，根据客户端在 CONNECT 报文中设置的 Keep Alive 值，客户端需要定期发送心跳（PingReq）报文到服务器，以证明其活动状态。服务器会相应地发送心跳响应（PingResp）报文。这样可以保持连接的活跃状态，并及时检测连接问题。

4.客户端和服务器进行消息交换：一旦连接建立且连接保持活跃，客户端和服务器之间可以进行 MQTT 消息的发布（PUBLISH）、订阅（SUBSCRIBE）、取消订阅（UNSUBSCRIBE）和断开连接（DISCONNECT）等操作。客户端可以发布消息给服务器，服务器可以将消息传递给订阅了相关主题的客户端。

5.客户端断开连接：当客户端希望断开与服务器的连接时，可以发送 DISCONNECT 报文给服务器。服务器收到 DISCONNECT 报文后，会关闭连接并释放相关资源。

总结

本篇文章就讲解到这里。下篇文章我们会对这个MQTT的源码进行分析。