RT-Thread MQTT（学习）

news2024/11/25 23:02:20

MQTT背景应用

MQTT是机器对机器（M2M）/物联网（IoT）连接协议，英文全名为“Message Queuing Telemetry Transport”，“消息队列遥测传输”协议。它是专为受限设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计的，是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通信协议，该协议构建于TCP/IP协议之上，由IBM在1999年发布。

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名词释义：

  • Publisher：发布者
  • Broker：代理（服务端）
  • Subscriber：订阅者
  • Topic：发布/订阅的主题

流程概述：上图中，各类传感器的角色是发布者（Publisher）。譬如，湿度传感器和温度传感器分别向接入的MQTT Broker中（周期性）发布两个主题名为“Moisture”（湿度）和“Temp”（温度）的主题；伴随着这两个主题共同发布的，还有湿度值和温度值，被称为“消息”。几个客户端的角色是订阅者SubScriber，如手机APP从Broker订阅了“Temp”主题，便能在手机上获取到温度传感器Publish在Broker中的温度值。

发布者和订阅者的角色并非是固定的，而是相对的。
发布者可以同时从Broker订阅主题，同理，订阅者也可以向Broker发布主题；即发布者可以是订阅者，订阅者也可以是发布者。

Broker可以是在线的云服务器，也可以是本地搭建的局域网客户端。
按照需求，实际上Broker自身也会保护一些订阅/发布主题的功能。

MQTT报文结构

任何通用/私有协议都是由事先规定好的、按某种规则约束的各种报文数据包组成的，MQTT也不例外。
在MQTT协议中，所有的数据包都是由最多三部分组成：固定Header+可变Header+有效载荷

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固定Header是必需的，可变Header和有效载荷是非必需的。
因此，理论上来说，MQTT协议数据包的最小长度为2个字节，造就了它身边占用的额外资源消耗最小化特色。

Fixed header
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固定Header由至少两个字节组成，如表2-2所示。
第一个字节的高4位描述了当前数据报文的类型，低四位定义了与报文类型相关的标志位。
第二个及之后的至多4个字节代表着剩余数据的字节长度。
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Remaining Length剩余长度表示当前报文剩余部分的字节数，包括可变header和有效载荷的数据。

uMQTT的实现

uMQTT软件包是RT-Thread自主研发的，基于MQTT3.1.1协议的客户端实现，它提供了设备与MQTT Broker通讯的基本功能。

uMQTT软件包功能如下：

  • 实现基础的连接、订阅、发布功能；
  • 具备多重心跳保活，设备重连机制，保证mqtt在线状态，适应复杂情况；
  • 支持Qos=0，QoS=1，QoS=2三种发送信息质量；
  • 支持多客户端使用；
  • 用户端接口简便，留有多种对外回调函数；
  • 支持多种技术参数可配置，易上手，便于产品化开发；
  • 功能强大，资源占用率低，支持功能可裁剪。

uMQTT的结构框架

uMQTT软件包主要用于在嵌入式设备上实现MQTT协议，软件包的主要工作基于MQTT协议实现。
在这里插入图片描述
软件包实现过程中主要做了：

  1. 根据MQTT3.1.1协议规定，进行软件包数据协议的封包解包。
  2. 传输层函数适配对接SAL（Socket Abstraction Layer）层。
  3. uMQTT客户端层，根据协议包层和传输层编写符合应用层的接口。实现基础连接、断连、订阅、取消订阅、发布消息等功能。支持qoS0/1/2三种发送信息质量。利用uplink timer定时器，实现多重心跳保活机制和设备重连机制，增加设备在线稳定性，适应复杂情况。

uMQTT客户端

想要连接Broker，嵌入式设备需要作为MQTT协议中的客户端来使用。
在uMQTT组件的umqtt.h文件中，抽象出了初始化客户端用到的MQTT配置信息，组成对应的数据结构体。

struct umqtt_info
{
	rt_size_t send_size,recv_size; //发送接收缓冲区大小
	const char *uri; //完整的URI（包含URI+URN）
	const char *client_id; //客户端ID
	const char *lwt_topic; //遗嘱主题
	const char *lwt_message; //遗嘱消息
	const char *user_name; //用户名
	const char *password; //密码
	enum umqtt_qos lwt_qos; //遗嘱QoS
	umqtt_subsribe_cb lwt_cb; //遗嘱回调函数
	rt_uint8_t reconnect_max_num; //最大重连次数
	rt_uint32_t reconnect_interval; //最大重连时间间隔
	rt_uint8_t keepalive_max_num;                       /* 最大保活次数 */ 
    rt_uint32_t keepalive_interval;                     /* 最大保活时间间隔 */ 
    rt_uint32_t recv_time_ms;                           /* 接收超时时间 */ 
    rt_uint32_t connect_time;                           /* 连接超时时间 */ 
    rt_uint32_t send_timeout;                           /* 上行(发布/订阅/取消订阅)超时时间 */ 
    rt_uint32_t thread_stack_size;                      /* 线程栈大小 */ 
    rt_uint8_t thread_priority;                         /* 线程优先级 */ 
#ifdef PKG_UMQTT_TEST_SHORT_KEEPALIVE_TIME
    rt_uint16_t connect_keepalive_sec;                  /* 连接信息，保活秒数 */    
#endif
}

这些配置信息一般在创建uMQTT客户端之前需要自行填写指定，譬如Broker的“URI”、“用户名”或“密码”之类的关键信息。
其它的非关键信息，如果没有指定，那么会在创建客户端函数umqtt_create中，调用umqtt_check_def_info函数来赋值为默认值。

static void umqtt_check_def_info(struct umqtt_info *info)
{
	if(info)
	{
		if (info->send_size == 0) { info->send_size = PKG_UMQTT_INFO_DEF_SENDSIZE; }
        if (info->recv_size == 0) { info->recv_size = PKG_UMQTT_INFO_DEF_RECVSIZE; }
        if (info->reconnect_max_num == 0) { info->reconnect_max_num = PKG_UMQTT_INFO_DEF_RECONNECT_MAX_NUM; }
        if (info->reconnect_interval == 0) { info->reconnect_interval = PKG_UMQTT_INFO_DEF_RECONNECT_INTERVAL; }
        if (info->keepalive_max_num == 0) { info->keepalive_max_num = PKG_UMQTT_INFO_DEF_KEEPALIVE_MAX_NUM; }
        if (info->keepalive_interval == 0) { info->keepalive_interval = PKG_UMQTT_INFO_DEF_HEARTBEAT_INTERVAL; }
        if (info->connect_time == 0) { info->connect_time = PKG_UMQTT_INFO_DEF_CONNECT_TIMEOUT; }
        if (info->recv_time_ms == 0) { info->recv_time_ms = PKG_UMQTT_INFO_DEF_RECV_TIMEOUT_MS; }
        if (info->send_timeout == 0) { info->send_timeout = PKG_UMQTT_INFO_DEF_SEND_TIMEOUT; }
        if (info->thread_stack_size == 0) { info->thread_stack_size = PKG_UMQTT_INFO_DEF_THREAD_STACK_SIZE; }
        if (info->thread_priority == 0) { info->thread_priority = PKG_UMQTT_INFO_DEF_THREAD_PRIORITY; }
	}
}

然而只有上述信息，是无法运行起来一个MQTT客户端的。
故在umqtt.c中，含有umqtt_info的umqtt_client结构体列出了初始化客户端用到的所有数据：

struct umqtt_client
{
    int sock;                                                   /* 套接字 */ 
    enum umqtt_client_state connect_state;                      /* mqtt客户端状态 */ 

    struct umqtt_info mqtt_info;                                /* mqtt用户配置信息 */ 
    rt_uint8_t reconnect_count;                                 /* mqtt客户端重连计数 */ 
    rt_uint8_t keepalive_count;                                 /* mqtt保活计数 */ 
    rt_uint32_t pingreq_last_tick;                              /* mqtt的PING请求上一次滴答值 */
    rt_uint32_t uplink_next_tick;                               /* 上行连接的下一次滴答值 */ 
    rt_uint32_t uplink_last_tick;                               /* 上行连接的上一次滴答值 */ 
    rt_uint32_t reconnect_next_tick;                            /* 客户端断开重连时的下一次滴答值 */ 
    rt_uint32_t reconnect_last_tick;                            /* 客户端断开重连时的上一次滴答值 */ 

    rt_uint8_t *send_buf, *recv_buf;                            /* 收发缓冲区指针 */ 
    rt_size_t send_len, recv_len;                               /* 收发数据的长度 */ 

    rt_uint16_t packet_id;                                      /* mqtt报文标识符 */ 

    rt_mutex_t lock_client;                                     /* mqtt客户端互斥锁 */ 
    rt_mq_t msg_queue;                                          /* mqtt客户端消息队列 */ 

    rt_timer_t uplink_timer;                                    /* mqtt保活重连定时器 */ 

    int sub_recv_list_len;                                      /* 接收订阅信息的链表长度 */ 
    rt_list_t sub_recv_list;                                    /* 订阅消息的链表头 */ 

    rt_list_t qos2_msg_list;                                    /* QoS2的消息链表 */
    struct umqtt_pubrec_msg pubrec_msg[PKG_UMQTT_QOS2_QUE_MAX]; /* 发布收到消息数组(QoS=2) */                   

    umqtt_user_callback user_handler;                           /* 用户句柄 */ 

    void *user_data;                                            /* 用户数据 */ 
    rt_thread_t task_handle;                                    /* umqtt任务线程 */ 

    rt_list_t list;                                             /* umqtt链表头 */ 
};

部分成员的结构体和枚举类型定义，可自行在umqtt.h文件中查看。
该结构体会在创建客户端函数umqtt_create中，调用umqtt_check_def_info函数之后初始化：

  1. 初始化遗嘱数据结构（如果有的话）
  2. 为收发缓冲区申请内存
  3. 创建互斥锁、消息队列和超时重连定时器（超时回调实现重连+保活）
  4. 初始化各链表
  5. 创建umqtt_thread–mqtt数据收发线程
  6. 返回mqtt_client结构体

当第6步返回的值不为空时，即可调用umqtt_start函数来通过LWIP发送CONNECT报文连接Broker，连接成功后便会启动umqtt_thread线程，开启MQTT的通信。

LWIP

LWIP（轻量级IP）是一种开源、轻量且高效的Internet协议（IP）套件实现。
它主要设计用于嵌入式系统，并经常用于具有有限资源的小型到中型设备，如微控制器、物联网设备和实时操作系统。
LWIP是用C编程语言编写的，旨在为资源受限的环境提供网络功能。

LWIP的主要特点和特性包括：

  1. 小巧的占用空间：LWIP旨在具有最小的内存和代码大小占用，适用于资源受限的设备。
  2. 支持常见网络协议：LWIP支持标准的网络协议，如IPv4、IPv6、TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）、ICMP（Internet控制消息协议）等。
  3. 可移植性：LWIP非常可移植，可以轻松适应各种嵌入式平台和操作系统。
  4. 与实时操作系统（RTOS）集成：LWIP通常与FreeRTOS等RTOS系统一起使用，适用于实时和多任务应用。
  5. BSD套接字API，使熟悉标准套接字编程的开发人员能够更轻松地使用该库。
  6. 可扩展性：LWIP设计为可扩展性，允许开发人员根据需要为其特定应用程序添加自定义功能或协议。
  7. 开源：LWIP以开源许可证分发（通常是MIT许可证），允许免费使用。

uMQTT与LWIP

在umqtt_start函数中，首先会将uMQTT客户端的状态置为UMQTT_CS_LINKING，表示正在连接中，接下来会调用umqtt_connect函数，将本地客户端连接到Broker。

连接到Broker的过程分两步：

  1. 创建套接字，与Broker建立链路连接。
  2. 发送CONNECT报文，创建MQTT协议连接。

在umqtt_connect函数中，通过调用umqtt_trans_connect函数，来完成第一步：

int umqtt_trans_connect(const char *uri, int *sock)
{
	int _ret = 0;
	struct addrinfo *addr_res = RT_NULL;
	*sock = -1;
	// 域名解析
	_ret = umqtt_resolve_uri(uri, &addr_res);
	if((_ret < 0) || (addr_res == RT_NULL))
	{
		LOD_E("resolve uri err");
		_ret = UMQTT_FAILED;
		goto exit;
	}
	//创建套接字
	if((*sock = socket(addr_res->ai_family, SOCK_STREAM, UMQTT_SOCKET_PROTOCOL))< 0 )
	{
		LOG_E("create socket error!");
        _ret = UMQTT_FAILED;
        goto exit;
	}
	//设置套接字工作在非阻塞模式下
	_ret = ioctlsocket(*sock, FIONBIO, 0);
    if (_ret < 0) 
    {
        LOG_E(" iocontrol socket error!");
        _ret = UMQTT_FAILED;
        goto exit;
    }
    // 建立连接
    if( (_ret = connect(*sock, addr_res->ai_addr, addr_res->ai_addrlen)) < 0)
    {
    	LOG_E(" connect err!");
        closesocket(*sock);
        *sock = -1;
        _ret = UMQTT_FAILED;
        goto exit;
    }

exit:
    if (addr_res) {
        freeaddrinfo(addr_res);
        addr_res = RT_NULL;
    }
    return _ret;
}

这个函数，就是uMQTT通过LWIP与Broker建立连接的核心函数。
该函数是通过SAL即套接字抽象层组件，来调用相关接口访问LWIP的。
用到的部分SAL组件封装的函数（getaddrinfo是在umqtt_resolve_uri函数中用来解析域名的）

int getaddrinfo(const char *nodename,
       const char *servname,
       const struct addrinfo *hints,
       struct addrinfo **res)
{
    return sal_getaddrinfo(nodename, servname, hints, res);
}
---------------------------------------------------------------------------------------------
#define connect(s, name, namelen)                          sal_connect(s, name, namelen)
#define recvfrom(s, mem, len, flags, from, fromlen)        sal_recvfrom(s, mem, len, flags, from, fromlen)
#define send(s, dataptr, size, flags)                      sal_sendto(s, dataptr, size, flags, NULL, NULL)
#define socket(domain, type, protocol)                     sal_socket(domain, type, protocol)
#define closesocket(s)                                     sal_closesocket(s)
#define ioctlsocket(s, cmd, arg)                           sal_ioctlsocket(s, cmd, arg)

uMQTT发送组包

当uMQTT客户端与Broker成功建立链路层连接后，就会立刻发送CONNECT报文，建立MQTT的协议层连接。

uMQTT组件使用了巧妙的结构体+共用体来管理所有的收发报文：

union umqtt_pkgs_msg                                /* mqtt message packet type */ 
{
    struct umqtt_pkgs_connect     connect;          /* connect */ 
    struct umqtt_pkgs_connack     connack;          /* connack */ 
    struct umqtt_pkgs_publish     publish;          /* publish */ 
    struct umqtt_pkgs_puback      puback;           /* puback */ 
    struct umqtt_pkgs_pubrec      pubrec;           /* publish receive (QoS 2, step_1st) */ 
    struct umqtt_pkgs_pubrel      pubrel;           /* publish release (QoS 2, step_2nd) */ 
    struct umqtt_pkgs_pubcomp     pubcomp;          /* publish complete (QoS 2, step_3rd) */ 
    struct umqtt_pkgs_subscribe   subscribe;        /* subscribe topic */ 
    struct umqtt_pkgs_suback      suback;           /* subscribe ack */ 
    struct umqtt_pkgs_unsubscribe unsubscribe;      /* unsubscribe topic */ 
    struct umqtt_pkgs_unsuback    unsuback;         /* unsubscribe ack */ 
};

struct umqtt_msg
{
    union umqtt_pkgs_fix_header header;             /* fix header */ 
    rt_uint32_t msg_len;                            /* message length */ 
    union umqtt_pkgs_msg msg;                       /* retain payload message */ 
};

union umqtt_pkgs_msg是一个联合体，包含了多种不同类型的MQTT消息包。
每个成员都对应一种MQTT消息类型，如connect、connack、publish等。
这个联合体的作用是可以容纳不同种类的MQTT消息包，但在任何给定时刻只能包含一个有效的消息包。使得在处理MQTT消息时，可以有效地共享内存空间，减小内存占用。

struct umqtt_msg包含了三个成员：

  • header：是一个联合体’umqtt_pkgs_fix_header’，表示MQTT消息的固定头部，它包含了消息的控制标志和其他必要的元数据。
  • msg_len：是一个32位整数，表示MQTT消息的长度。
  • msg：是一个联合体，用于存储具体类型的MQTT消息包。通过header中的控制标志，可以确定在’msg’中使用哪个成员。

通过umqtt_encode函数来调用不同的组包函数，填充对应格式的结构体，然后发送到Broker服务端。

/** 
 * packaging the data according to the format
 *
 * @param type the input packaging type
 * @param send_buf the output send buf, result of the package
 * @param send_len the output send buffer length
 * @param message the input message
 *
 * @return <=0: failed or other error
 *         >0: package data length
 */
int umqtt_encode(enum umqtt_type type, rt_uint8_t *send_buf, size_t send_len, struct umqtt_msg *message)
{
    int _ret = 0;
    switch (type)
    {
    case UMQTT_TYPE_CONNECT:
        _ret = umqtt_connect_encode(send_buf, send_len, &(message->msg.connect));
        break;
    case UMQTT_TYPE_PUBLISH:
        _ret = umqtt_publish_encode(send_buf, send_len, message->header.bits.dup, message->header.bits.qos, &(message->msg.publish));
        break;
    case UMQTT_TYPE_PUBACK:
        _ret = umqtt_puback_encode(send_buf, send_len, message->msg.puback.packet_id);
        break;
    case UMQTT_TYPE_PUBREC:
        // _ret = umqtt_pubrec_encode();
        break;
    case UMQTT_TYPE_PUBREL:
        _ret = umqtt_pubrel_encode(send_buf, send_len, message->header.bits.dup, message->msg.pubrel.packet_id);
        break;
    case UMQTT_TYPE_PUBCOMP:
        _ret = umqtt_pubcomp_encode(send_buf, send_len, message->msg.pubcomp.packet_id);
        break;
    case UMQTT_TYPE_SUBSCRIBE:
        _ret = umqtt_subscribe_encode(send_buf, send_len, &(message->msg.subscribe));
        break;
    case UMQTT_TYPE_UNSUBSCRIBE:
        _ret = umqtt_unsubscribe_encode(send_buf, send_len, &(message->msg.unsubscribe));
        break;
    case UMQTT_TYPE_PINGREQ:
        _ret = umqtt_pingreq_encode(send_buf, send_len);
        break;
    case UMQTT_TYPE_DISCONNECT:
        _ret = umqtt_disconnect_encode(send_buf, send_len);
        break;
    default:
        break;
    }
    return _ret;
}

由于报文类型较多，接下来仅以“CONNECT”报文（可变header——“协议名称”、“协议等级”、“连接标志”、“保活间隔（秒），有效载荷——“客户端标识符”、“遗嘱主题”、“遗嘱消息”、“用户名”、“密码”）为例”），来简述uMQTT的组包过程：
1.填充MQTT客户端的默认配置信息
2.调用umqtt_encode -> umqtt_connect_encode编码函数组包：

该函数首先调用MQTTSerialize_connectLength计算可变header和有效载荷的长度，得到的len会被作为参数传递给umqtt_pkgs_len函数，它的作用是计算固定header中的剩余长度字段的字节数并加上固定header第一个字节长度即1，与buflen作比较，判断该包数据的有效性。

if (umqtt_pkgs_len(len = MQTTSerialize_connectLength(options)) > buflen)

希望得到的len长度就是固定header中的剩余长度值，从而方便后面的组包过程，而有效的报文长度buflen = len + 1+ 剩余长度字段的字节数。

组包过程完成之后，会调用umqtt_trans_send函数，通过LWIP将发送缓冲区数据发送到socket连接的Broker。

int umqtt_trans_send(int sock, const rt_uint8_t *send_buf, rt_uint32_t buf_len, int timeout)
{
	int _ret = 0;
	rt_uint32_t offset = 0U;
	while(offset < buflen)
	{
		_ret = send(sock, send_buf + offset, buf_len - offset, 0);
		if(_ret < 0)
			return -errno;
		offset += _ret;
	}
	return _ret;
}

uMQTT接收解包

当uMQTT将CONNECT报文发送完成后，就会调用umqtt_handle_readpacket函数（完成CONNECT过程后，该函数也会在umqtt_thread线程中被循环调用来接收数据）读取Broker的回复，对接收到的数据包进行解包处理：

  1. 读Fixed header的第一个字节，这里会调用umqtt_trans_recv函数读取socket数据，作用就是从对应的sock中读取buf_len长度的数据到recv_buf。
  2. 读Fixed header的Remaining length字段并解析剩余长度。
  3. 读剩余数据——可变header+有效载荷。
  4. 解析数据包，并根据不同报文类型做相应处理。
  5. UMQTT_TYPE_CONNACK：调用set_uplink_recon_tick(client, UPLINK_NEXT_TICK)函数设置下一次重连滴答值，调用set_connect_status(client, UMQTT_CS_LINKED)函数设置uMQTT客户端状态为已连接。

设置重连滴答值

设置下一次重连滴答值（reconnect tick）的目的是为了控制在失去连接后，尝试重新建立连接的时间间隔。

  1. 网络部稳定性：在物联网（IoT）或其他网络应用中，设备可能会面临不稳定的网络条件，如临时的断线或信号干扰。在这种情况下，失去连接后立即进行重连可能会导致频繁的连接尝试，造成网络资源浪费，增加设备的电力消耗。
  2. 避免过早的重连：设置重连滴答值可以防止设备过早地尝试重新连接。重连的时间间隔可以根据设备和网络的特定需求进行调整，以确保在网络稳定之前不会进行不必要的连接尝试。
  3. 节约资源： 预定重连滴答值有助于节约设备资源，因为设备不必持续监视网络状态并进行连接尝试。它可以在预定的时间间隔后尝试连接，以降低设备的功耗。
  4. 逐渐增加重连频率： 通常，设置下一次重连滴答值的方式是逐渐增加重连频率。这意味着如果第一次重连尝试失败，设备可能会等待一段较长的时间，然后在下一次尝试时等待较短的时间。这种策略允许设备在网络稳定性恢复时更频繁地尝试连接，同时避免了过于频繁的连接尝试。

总之，设置下一次重连滴答值是为了在网络不稳定或断开连接的情况下，以一种经济高效的方式管理设备的连接重试，以提高设备的性能和资源利用率。

至此，已经完成了CONNECT报文的收发过程，下一步就是启动umqtt_thread线程，调用umqtt_handle_readpacket函数来处理从Broker服务器端收到的数据报文。

在这里插入图片描述

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