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物联网宠儿mqtt.js那些事儿

常见的mq有Kafka,RocketMQ和RabbitMQ,大家也很常见。 前者很常见,属于微服务间的mq。 那么MQTT是什么呢?MQTT属于IoT也就是物联网的概念。

快来和使用mqtt.js开发IM功能2年的作者一探究竟吧~

先来看下MQTT在物联网领域的应用场景:

mqtt.js是MQTT在nodejs端的实现。

通过npm package.json包管理,现代vue技术栈下的前端也可用,比如用vue-cli,create-react-app等等构建的项目。

mqtt.js官方为微信小程序和支付宝小程序也做了支持。微信小程序的MQTT协议名为wxs,支付宝小程序则是alis。

如果还是一脸懵逼,那么就跟随我通过mqtt.js去认识一下这个物联网领域的宠儿吧。

  • 什么是微消息队列?
  • MQTT关键名词解释
  • P2P消息和Pub/Sub消息
  • 封装的mqtt.js通用class
  • 客户端发包函数sendPacket
  • 客户端连接 mqtt.connect()
  • 订阅topic mqtt.Client#subscribe()
  • 发送消息 mqtt.Client#publish()
  • 接收消息 mqtt.Client#“message”事件

什么是微消息队列?

消息队列一般分为两种:

  • 微服务消息队列(微服务间信息传递,典型代表有RabbitMQ,Kafka,RocketMQ)
  • 物联网消息队列(物联网端与云端消息传递,代表有MQTT)

目前我实践过的,也就是我们本篇博文深入分析的,是物联网消息队列的mqtt.js。

传统的消息队列(微服务间信息传递)

传统的微服务间(多个子系统服务端间)消息队列是一种非常常见的服务端间消息传递的方式。

典型代表有:RabbitMQ,Kafka,RocketMQ。 阿里云官网拥有AMQP(兼容RabbitMQ),Kafka,和RocketMQ这三种微服务消息队列,对于我们今后在实际项目中落地提供了很大的帮助。

使用场景多种多样:

  • 高并发:秒杀、抢票(FIFO)
  • 共享型:积分兑换(多子系统共用积分模块)
  • 通信型:服务端间消息传递(nodejs,java,python,go等等)

MQTT消息队列(物联网端与云间消息传递)

MQTT是一个物联网MQTT协议,主要解决的是物联网IoT网络情况复杂的问题。

阿里云有MQTT消息队列服务。通信协议支持MQTT,STOMP,GB-808等。数据传输层支持TCP长连接、SSL加密、Websocket等。

使用场景主要为数据传输:

  1. 车联网(远程控制,汽车数据上传)
  2. IM通讯(1对1单聊,1对多朋友圈)
  3. 视频直播(弹幕通知,聊天互动)
  4. 智能家居(电器数据上传,遥控指令)

目前我手上负责的运行了2年的聊天系统就是使用的这个服务,我们主要按照设备<->server<->PC的方式,MQTT协议,Websocket传输协议进行设备与PC间的数据通信。

MQTT关键名词解释

实例(Instance)

每个MQTT实例都对应一个全局唯一的服务接入点。 肉眼可见的区别就是在通过mqtt.connect(url)与server(broker)建立连接时,broker的url都是一致的。 假设有saleman1,salesman2···他们本地的前端与服务端间建立连接的url都是统一的,只是在clientId进行区分即可。

客户端Id(Client ID)

MQTT的Client ID是每个客户端的唯一标识,要求全局都是唯一的,使用同一个Client ID连接会被拒绝。 阿里云的ClientID由两部分组成<GroupID>@@@<DeviceID>。 通常情况下Group ID是多前端统一的,比如PC端,安卓移动端,ios移动端,DeviceID也是多前端统一的。 那么如何区分多端呢?可以对Client ID中间的@@@做修改。 比如:

let CID_PC = `<GroupID>@@@-PC<DeviceID>`
let CID_Android = `<GroupID>@@@-Android<DeviceID>`
let CID_IOS = `<GroupID>@@@-IOS<DeviceID>`
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组Id(Group ID)

用于指定一组逻辑功能完全一致的节点公用的组名,代表的是一类相同功能的设备。

Device ID

每个设备独一无二的标识。这个需要保证全局唯一,可以是每个传感器设备的序列号,可以是登录PC的userId。

父主题(Parent Topic)

MQTT协议基于Pub/Sub模型,任何消息都属于一个Topic。 Topic可以存在多级,第一级为父级Topic。 需要控制台单独创建。

子主题(Subtopic)

MQTT可以有二级Topic,也可以有三级Topic。 无需创建,代码中直接写即可。

P2P消息和Pub/Sub消息

Pub/Sub消息就是订阅和发布的模式,类似事件监听和广播。 如果对发布订阅不理解,可以去看Webhook到底是个啥? MQTT除了支持Pub/Sub的模式,还支持P2P的模式。

什么是P2P消息?

  • P2P,全称为(Point to Point)。
  • 一对一的消息收发模式,只有一个消息发送者和一个消息接收者。
  • P2P模式下,消息发送者明确知道消息的预期接收者,并且这个消息只能被这个特定的客户端消费
  • 发送者发送消息时,通过Topic指定接收者,接收者无需订阅即可获得该消息。
  • P2P 模式不仅降低注册订阅的成本,而且因为对链路有优化,所以降低推送延迟。

P2P模式和Pub/Sub模式的区别

发送消息时

  • Pub/Sub模式下,发送者需要按照与接受者约定好的Topic发送消息
  • P2P模式下,发送者无需按照Tpic发送,可以直接按照规范进行发送

接收消息时

  • Pub/Sub模式下,接收者需要提前订阅topic才能接消息
  • P2P模式下无需订阅即可接收消息

nodejs发送P2P消息

const p2pTopic =topic+"/p2p/GID_xxxx@@@DEVICEID_001";
mqtt.client.publish(p2pTopic);
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封装的mqtt.js通用class

  • 客户端连接 initClient(config)
  • 订阅topic subscribeTopic(topic, config)
  • 发送消息 publishMessage(message)
  • 接收消息 handleMessage(callback)
import mqtt from 'mqtt';
import config from '@/config';

export default class MQTT {
  constructor(options) {
    this.name = options.name;
    this.connecting = false;
  }
  /**
   * 客户端连接
   */
  initClient(config) {
    const { url, groupId, key, password, topic: { publish: publishTopic }} = config;
    return new Promise((resolve) => {
      this.client = mqtt.connect(
        {
          url,
          clientId: `${groupId}@@@${deviceId}`,
          username: key,
          password,
        }
      );
      this.client.on('connect', () => {
        this.connecting = true;
        resolve(this);
      });
    });
  }

  /**
   * 订阅topic
   */
  subscribeTopic(topic, config) {
    if (this.connecting) {
      this.client.subscribe(topic, config);
    }
    return this;
  }

  /**
   * 发送消息
   */
  publishMessage(message) {
    this.client.publish(publishTopic, message, { qos: 1 });
  }

  /**
   * 接收消息
   */
  handleMessage(callback) {
    if (!this.client._events.message) {
      this.client.on('message', callback);
    }
  }

}
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客户端发包函数sendPacket

mqtt-packet生成一个可传输buffer

var mqtt = require('mqtt-packet')
var object = {
  cmd: 'publish',
  retain: false,
  qos: 0,
  dup: false,
  length: 10,
  topic: 'test',
  payload: 'test' // Can also be a Buffer
}
var opts = { protocolVersion: 4 } // default is 4. Usually, opts is a connect packet

console.log(mqtt.generate(object))
// Prints:
//
// <Buffer 30 0a 00 04 74 65 73 74 74 65 73 74>
//
// Which is the same as:
//
// new Buffer([
//   48, 10, // Header (publish)
//   0, 4, // Topic length
//   116, 101, 115, 116, // Topic (test)
//   116, 101, 115, 116 // Payload (test)
// ])
复制代码

sendPacket函数

发出packetsend事件并且通过mqtt.writeToStream将packet写入client的stream中。

var mqttPacket = require('mqtt-packet')

function sendPacket (client, packet) {
  client.emit('packetsend', packet)
  mqttPacket.writeToStream(packet, client.stream, client.options)
}
复制代码

_sendPack方法

MqttClient.prototype._sendPacket = function (packet) {
     sendPacket(this, packet);
}
复制代码

客户端连接 mqtt.connect()

mqtt client建立与mqtt server(broker)的连接,通常是通过给定一个'mqtt', 'mqtts', 'tcp', 'tls', 'ws', 'wss', 'wxs' , 'alis'为协议的url进行连接。

mqtt.connect([url], options)
复制代码

官方说明:

  • 通过给定的url和配置连接到一个broker,并且返回一个Client。
  • url可以遵循以下协议:'mqtt', 'mqtts', 'tcp', 'tls', 'ws', 'wss', 'wxs' , 'alis'。(mqtt.js支持微信小程序和支付宝小程序,协议分别为wxs和alis。
  • url也可以是通过URL.parse()返回的对象。
  • 可以传入一个单对象,既包含url又包含选项。

再来看一下我手上项目的连接配置,连接结果。 敏感信息已通过foo,bar,baz或者xxxx的组合进行数据脱敏处理。

连接配置

 {
    key: 'xxxxxxxx',
    secret: 'xxxxxxxx',
    url: 'wss://foo-bar.mqtt.baz.com/mqtt',
    groupId: 'FOO_BAR_BAZ_GID',
    topic: {
      publish: 'PUBLISH_TOPIC',
      subscribe: ['SUBSCRIBE_TOPIC/noticePC/', 'SUBSCRIBE_TOPIC/p2p'],
      unsubscribe: 'SUBSCRIBE_TOPIC/noticeMobile/',
    },
}
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  • key 账号
  • secret 密码
  • url 用于建立client与server(broker)mqtt连接的链接
  • groupId 组id
  • topic 发送消息的topic,订阅的topic,取消订阅的topic

连接结果

包括总览,响应头和请求头。

General
Request URL: wss://foo-bar.mqtt.baz.com
Request Method: GET
Status Code: 101 Switching Protocols
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Response Header
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
upgrade: websocket
connection: upgrade
sec-websocket-accept: xxxxxxx
sec-websocket-protocol: mqtt
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Request Header
GET wss://foo-bar.mqtt.baz.com/ HTTP/1.1
Host: foo-bar.mqtt.baz.com
Connection: Upgrade
Pragma: no-cache
Cache-Control: no-cache
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_14_6) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/80.0.3987.149 Safari/537.36
Upgrade: websocket
Origin: https://xxx.xxx.com
Sec-WebSocket-Version: 13
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en-US;q=0.8,en;q=0.7,zh-TW;q=0.6
Sec-WebSocket-Key: xxxxxxxxx
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
Sec-WebSocket-Protocol: mqtt
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源码分析

下面来看这段mqtt连接的代码。

this.client = mqtt.connect(
  {
    url,
    clientId: `${groupId}@@@${deviceId}`,
    username: key,
    password,
  }
);
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function parseAuthOptions (opts) {
  var matches
  if (opts.auth) {
    matches = opts.auth.match(/^(.+):(.+)$/)
    if (matches) {
      opts.username = matches[1]
      opts.password = matches[2]
    } else {
      opts.username = opts.auth
    }
  }
}
/**
 * connect - connect to an MQTT broker.
 *
 * @param {String} [brokerUrl] - url of the broker, optional
 * @param {Object} opts - see MqttClient#constructor
 */
function connect (brokerUrl, opts) {
  if ((typeof brokerUrl === 'object') && !opts) {
    //  可以传入一个单对象,既包含url又包含选项
    opts = brokerUrl
    brokerUrl = null
  }
  opts = opts || {}
  // 设置username和password
  parseAuthOptions(opts)
  if (opts.query && typeof opts.query.clientId === 'string') {
    // 设置Client Id
    opts.clientId = opts.query.clientId
  }
  function wrapper (client) {
   ...
    return protocols[opts.protocol](client, opts)
  }
  // 最终返回一个mqtt client实例
  return new MqttClient(wrapper, opts)
}
复制代码

订阅topic mqtt.Client#subscribe()

实际代码

const topic =  {
      subscribe: ['SUBSCRIBE_TOPIC/noticePC/', 'SUBSCRIBE_TOPIC/p2p'],
      unsubscribe: 'SUBSCRIBE_TOPIC/noticeMobile/',
};
const config = { qos:1 };
this.client.subscribe(topic.subscribe, config)
复制代码

源码分析

MqttClient.prototype.subscribe = function () {
  var packet
  var args = new Array(arguments.length)
  for (var i = 0; i < arguments.length; i++) {
    args[i] = arguments[i]
  }
  var subs = []
   // obj为订阅的topic列表
  var obj = args.shift()
  // qos等配置
  var opts = args.pop()
  var defaultOpts = {
    qos: 0
  }
  opts = xtend(defaultOpts, opts)
  // 数组类型的订阅的topic列表  
  if (Array.isArray(obj)) {
    obj.forEach(function (topic) {
      if (!that._resubscribeTopics.hasOwnProperty(topic) ||
        that._resubscribeTopics[topic].qos < opts.qos ||
          resubscribe) {
        var currentOpts = {
          topic: topic,
          qos: opts.qos
        }
        // subs是最终的订阅的topic列表
        subs.push(currentOpts)
      }
    })
  }
  // 这个packet很重要
  packet = {
    // 发出订阅命令
    cmd: 'subscribe',
    subscriptions: subs,
    qos: 1,
    retain: false,
    dup: false,
    messageId: this._nextId()
  }
  // 发出订阅包
  this._sendPacket(packet)
  return this
}
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发送消息 mqtt.Client#publish()

实际代码

const topic = {
      publish: 'PUBLISH_TOPIC',
};
const messge = {
   foo: '',
   bar: '',
   baz: '',
   ...
}
const msgStr = JSON.stringify(message);
this.client.publish(topic.publish, msgStr);
复制代码

注意publish的消息需要使用JSON.stringify进行序列化,然后再发到指定的topic。

源码分析

MqttClient.prototype.publish = function (topic, message, opts, callback) {
  var packet
  var options = this.options
  var defaultOpts = {qos: 0, retain: false, dup: false}
  opts = xtend(defaultOpts, opts)

  // 将消息传入packet的payload
  packet = {
    cmd: 'publish',
    topic: topic,
    payload: message,
    qos: opts.qos,
    retain: opts.retain,
    messageId: this._nextId(),
    dup: opts.dup
  }
  // 处理不同qos
  switch (opts.qos) {
    case 1:
    case 2:
       // 发出publish packet
       this._sendPacketI(packet);
        ...
    default:
       this._sendPacket(packet);
        ...
  }
  return this
}
复制代码

接收消息 mqtt.Client “message”事件

实际代码

this.client.on('message', callback);
复制代码

数据以callback的方式接收。

function (topic, message, packet) {}
复制代码

topic代表接收到的topic,buffer则是具体的数据。 message是接收到的数据,谨记通过JSON.parse()对buffer做解析。

handleMessage(callback) {
    this.client.on('message', callback);
}
this.client.handleMessage((topic, buffer) => {
  let receiveMsg = null;
  try {
   receiveMsg = JSON.parse(buffer.toString());
  } catch (e) {
   receiveMsg = null;
  }
  if (!receiveMsg) {
    return;
  }
  ...do something with receiveMsg...
});
复制代码

源码分析

MqttClient继承了EventEmitter。 从而进行可以使用on监听“message”事件。

inherits(MqttClient, EventEmitter)
复制代码

那么到底是在哪里间发出message事件的呢?>emit the message event

  1. 基于websocket-stream建立websocket连接
  2. 使用pipe连接基于readable-stream.Writable创建的可写流
  3. nextTick调用_handlePacket
  4. 在handlePacket中调用handlePublish发出message事件
1.基于websocket-stream建立websocket连接
this.stream = this.streamBuilder(this)
function streamBuilder (client, opts) {
  return createWebSocket(client, opts)
}
var websocket = require('websocket-stream')
function createWebSocket (client, opts) {
  var websocketSubProtocol =
    (opts.protocolId === 'MQIsdp') && (opts.protocolVersion === 3)
      ? 'mqttv3.1'
      : 'mqtt'

  setDefaultOpts(opts)
  var url = buildUrl(opts, client)
  return websocket(url, [websocketSubProtocol], opts.wsOptions)
}
复制代码
2. 使用pipe连接基于readable-stream.Writable创建的可写流
var Writable = require('readable-stream').Writable
var writable = new Writable();
this.stream.pipe(writable);
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3.nextTick调用_handlePacket
writable._write = function (buf, enc, done) {
    completeParse = done
    parser.parse(buf)
    work()
}
function work () {
    var packet = packets.shift()
    if (packet) {
      that._handlePacket(packet, nextTickWork)
    }
}
function nextTickWork () {
    if (packets.length) {
      process.nextTick(work)
    } else {
      var done = completeParse
      completeParse = null
      done()
    }
}
复制代码
4. 在handlePacket中调用handlePublish发出message事件
MqttClient.prototype._handlePacket = function (packet, done) {
  switch (packet.cmd) {
    case 'publish':
      this._handlePublish(packet, done)
      break
   ...
}
// emit the message event
MqttClient.prototype._handlePublish = function (packet, done) {
  switch (qos) {
    case 1: {
      // emit the message event
        if (!code) { that.emit('message', topic, message, packet) }
    }
}
复制代码

参考资料:

期待和大家交流,共同进步,欢迎大家加入我创建的与前端开发密切相关的技术讨论小组:

努力成为优秀前端工程师!

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