MQTT基础知识
为什么物联网使用MQTT，而不是HTTP等协议呢？
核心原因在于物联网资源设备受限，而且网络环境不稳定，但是又需要实现高效、可靠的消息传输。
而MQTT协议恰恰可以满足这一点。
1、MQTT全称 Message Queuing Telemetry Transport，即消息队列遥测传输协议，1999年由IBM发布，MQTT的本质是一种应用层通信协议，传输层基于TCP/IP协议，与我们常说的Modbus、HTTP是一样的。
2、MQTT是一种轻量级、低开销的协议，MQTT报文最小只有2字节，远小于其他协议，它的报文是基于二进制的格式，这样会显著降低带宽占用，非常适合物联网中蜂窝网络或低功耗设备场景。
3、MQTT是一种基于发布/订阅模式的协议。
这个模式与公众号非常相似。我写完这篇文章，通过平台发表（即发布）之后，关注（即订阅）本公众号，就能收到本公众号推送的文章。
4、MQTT通过QoS（Quantity of Service）分级来实现可靠的消息传递，提供了至多一次、至少一次、恰好一次三级服务质量，对于重要性不同的消息采用不同的QoS来平衡实时性与可靠性。
MQTT通信模型
我们前面提到，MQTT协议是通过发布/订阅的方式来实现的，消息的发布方与订阅方通过这种方式来进行解耦，因此，需要有一个中间方来进行消息的转发及存储。
在MQTT协议中，这个中间方我们称之为Broker（可以理解为服务器Server），而连接到Broker的订阅方和发布方称之为Client。
以上是一次典型的MQTT协议消息通信流程：
1、发布方与订阅方都与Broker建立了TCP连接。
2、订阅方告知Broker订阅的消息主体（Topic）。
3、发布方将带有主题（Topic）的消息发布到Broker。
4、Broker收到消息后，检查有哪些订阅方订阅了该Topic，然后将消息发给这些订阅方。
5、订阅方从Broker中获取该消息。
MQTT环境搭建
我们学习或使用Modbus的时候，可以使用相关的调试软件进行调试。
Modbus调试软件包括ModbusPoll（模拟主站或客户端）与ModbusSlave（模拟从站或服务器）。
MQTT也有对应的软件，一般Broker的模拟软件有Mosquitto（免费）、EMQ X（商业）等，除了使用软件，我们还可以使用阿里云、腾讯云之类的云服务器，这些云服务器商一般会提供物联网云平台。
基于Mosquitto搭建的MQTT Broker运行如下：
对于MQTT Client，我们一般可以使用mqttfx软件来实现。
我们可以使用mqttfx直接连接上面的Broker，测试一下MQTT通信。
连接成功后，我们向home/garden/fountain这个主题发布一个消息：Test mqtt by xbd，此时的mqttfx是发布者的角色。
我们切换到订阅者，订阅一下这个主题home/garden/fountain。
这样我们就可以收到这个消息内容了。
这样我们就基于相关软件体验了一次完整MQTT通信的过程。
MQTT通信协议
MQTT与Modbus一样，是一个应用层协议，既然是应用层协议，就有相关的协议文档及报文格式。
与Modbus不同的是，MQTT协议使用的是二进制数据包，Modbus最小单位是字节，而MQTT协议会精确到每个二进制位的含义，这个其实也是与MQTT的应用场景有关，MQTT定位就是轻量级、低开销，因此需要尽量保证报文较短。
MQTT协议的数据包并不复杂，一个MQTT协议数据包由三个部分组成，分别是固定头、可变头及消息体。
固定头 Fix Header | 可变头 Variable Header | 消息体 Payload |
2-5 Byte | N Byte | N Byte |
固定头：这部分是必须的，包含数据包类型、标识位及剩余包长度。
可变头：这部分非必须，具体内容与数据包类型对应。
消息体：这部分非必须，存储消息的具体数据。
具体MQTT协议的细节内容，大家可以参考MQTT官方协议文档。
在实际开发中，我们一般不需要了解协议，可以直接使用开源的MQTT库。
MQTT通信开发
我们这里使用MQTTnet这个开源库。
我们开发一个MQTTClient，界面如下：
1、UI界面设计完成后，首先通过Nuget搜索MQTTnet并安装。
2、建立MQTT连接及断开，代码如下：
private void btn_Connect_Click(object sender, EventArgs e)
{
var option = new MqttClientOptions() { ClientId = Guid.NewGuid().ToString("D")
//设置连接的服务器及端口号
option.ChannelOptions = new MqttClientTcpOptions()
{
Server = this.cmb_ServerIP.Text,
Port = Convert.ToInt32(this.txt_Port.Text)
};
//是否需要账户密码
if (this.chk_IsUsePwd.Checked)
{
option.Credentials = new MqttClientCredentials()
{
Username = this.txt_UserName.Text,
Password = this.txt_Pwd.Text
};
}
option.CleanSession = true;
option.KeepAlivePeriod = TimeSpan.FromSeconds(100);
option.KeepAliveSendInterval = TimeSpan.FromSeconds(10000);
if (mqttClient != null)
{
mqttClient.DisconnectAsync();
mqttClient = null;
}
try
{
mqttClient = new MqttFactory().CreateMqttClient();
mqttClient.Connected += MqttClient_Connected;
mqttClient.Disconnected += MqttClient_Disconnected;
mqttClient.ApplicationMessageReceived += MqttClient_ApplicationMessageReceived;
mqttClient.ConnectAsync(option);
}
catch (Exception ex)
{
AddLog(1, "MQTT客户端连接失败：" + ex.Message);
return;
}
}
private void btn_DisConn_Click(object sender, EventArgs e)
{
mqttClient.DisconnectAsync();
}3、对于连接、断开连接及收到消息会有对应的事件处理，代码如下：
private void MqttClient_ApplicationMessageReceived(object sender, MqttApplicationMessageReceivedEventArgs e)
{
this.AddLog(0, "MQTT客户端收到信息：Topic:" + e.ApplicationMessage.Topic + " Payload:" + Encoding.UTF8.GetString(e.ApplicationMessage.Payload));
}
private void MqttClient_Disconnected(object sender, MqttClientDisconnectedEventArgs e)
{
AddLog(0, "MQTT客户端断开连接：ClientWasConnected:" + e.ClientWasConnected);
}
private void MqttClient_Connected(object sender, MqttClientConnectedEventArgs e)
{
AddLog(0, "MQTT客户端连接成功：IsSesstionPresent:" + e.IsSessionPresent);
}4、订阅和取消订阅，可以直接调用相关方法，代码如下：
private void btn_Sub_Click(object sender, EventArgs e)
{
try
{
mqttClient.SubscribeAsync(new List<TopicFilter>()
{
new TopicFilter(this.txt_Topic.Text,(MqttQualityOfServiceLevel)Enum.Parse(typ
(MqttQualityOfServiceLevel), this.cmb_QOS.Text,true))
});
}
catch (Exception ex)
{
AddLog(1, "MQTT客户端订阅失败：" + ex.Message);
return;
}
AddLog(0, "MQTT客户端订阅成功：Topic:" + this.txt_Topic.Text);
}
private void btn_UnSub_Click(object sender, EventArgs e)
{
try
{
mqttClient.UnsubscribeAsync(this.txt_Topic.Text);
}
catch (Exception ex)
{
AddLog(1, "MQTT客户端取消订阅失败：" + ex.Message);
return;
}
AddLog(0, "MQTT客户端取消订阅成功：Topic:" + this.txt_Topic.Text);
}5、发布消息，可以直接调用相关方法，代码如下：
private void btn_Publish_Click(object sender, EventArgs e)
{
if (mqttClient == null)
{
AddLog(1, "客户端未连接，无法发送消息");
return;
}
var msg = new MqttApplicationMessage()
{
Topic = this.txt_Topic.Text,
Payload = Encoding.UTF8.GetBytes(this.txt_Message.Text),
QualityOfServiceLevel = (MqttQualityOfServiceLevel)Enum.Parse(typeof(MqttQualityOfServiceLevel), this.cmb_QOSPublish.Text, true),
Retain = false
};
try
{
mqttClient.PublishAsync(msg);
}
catch (Exception ex)
{
AddLog(1, "MQTT客户端发布失败：" + ex.Message);
return;
}
AddLog(0, "MQTT客户端发布成功：Topic:" + this.txt_Topic.Text + " Payload" + this.txt_Message.Text);
}6、完成以上功能后，我们就可以进行测试，测试结果如下：
我们首先将软件复制一份。
第一个连接Broker，作为发布者角色，第二个连接Borker，作为订阅者角色。
订阅者订阅主题xbd/swj，发布者向这个主题发送消息内容，当我们发布这个内容Test MQTT By XBD，我们可以看到订阅者收到了这个消息，这样就实现了MQTT通信。
