MQTT协议介绍与C++服务端客户端实现

一、MQTT协议简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息发布/订阅协议，设计用于低带宽、高延迟、不稳定的网络环境，广泛应用于物联网（IoT）设备间的通信。其基于客户端-服务器架构，通常使用TCP/IP协议作为传输层协议。

MQTT协议的特点：

1. 轻量级：头部开销小，适合低带宽环境。
2. 支持QoS（服务质量）：
   • QoS 0：最多一次传递。
   • QoS 1：至少一次传递。
   • QoS 2：只有一次传递。
3. 发布/订阅模式：客户端可以发布消息，也可以订阅消息，支持多对多通信。
4. 保持连接：长时间保持连接，适合需要实时通讯的场景。
5. 最后遗嘱消息：客户端掉线时，可以由服务器发布“最后遗嘱”消息。
6. 持久化会话：支持消息持久化，可以确保消息在客户端不在线时仍然可以接收。

二、MQTT协议的开源库

1. Paho MQTT C/C++：

   • 由Eclipse基金会维护，是最流行的MQTT客户端库之一，支持多种编程语言，包括C和C++。
   • 官网：https://www.eclipse.org/paho/

2. Mosquitto：

   • 是一个轻量级的MQTT消息代理，提供了C语言的客户端库，可以作为MQTT服务器来使用。
   • 官网：https://mosquitto.org/

3. MQTT-C：

   • 一个轻量级的C语言实现，用于实现MQTT协议的客户端功能。
   • GitHub：https://github.com/LiamBindle/MQTT-C### 一、MQTT协议简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息发布/订阅协议，设计用于低带宽、高延迟、不稳定的网络环境，广泛应用于物联网（IoT）设备间的通信。其基于客户端-服务器架构，通常使用TCP/IP协议作为传输层协议。

三、C++ 实现MQTT服务端和客户端

下面是基于 Paho MQTT C++ 库的实现示例，展示如何用C++编写一个简单的MQTT服务端和客户端。

1. 环境准备

1. 安装 Paho MQTT C++ 库：

   sudo apt-get install libpaho-mqttpp3-dev
   sudo apt-get install libpaho-mqtt3c-dev
   

2. 使用Mosquitto作为MQTT代理服务（如果没有安装Mosquitto，使用下面的命令安装）：

   sudo apt-get install mosquitto mosquitto-clients
   

   启动Mosquitto：

   sudo systemctl start mosquitto
   

2. MQTT客户端代码（C++）

#include <iostream>
#include <string>
#include <mqtt/async_client.h>

const std::string SERVER_ADDRESS("tcp://localhost:1883");
const std::string CLIENT_ID("example_client");
const std::string TOPIC("test/topic");

class MyCallBack : public virtual mqtt::callback,
                   public virtual mqtt::iaction_listener {
public:
    void connected(const std::string& cause) override {
        std::cout << "Connected to the broker." << std::endl;
    }

    void connection_lost(const std::string& cause) override {
        std::cout << "Connection lost: " << cause << std::endl;
    }

    void message_arrived(const std::string& topic, mqtt::message_ptr msg) override {
        std::cout << "Message arrived on topic: " << topic << ", message: " << msg->to_string() << std::endl;
    }

    void delivery_complete(mqtt::delivery_token_ptr tok) override {
        std::cout << "Message delivery completed for message id: " << tok->get_message_id() << std::endl;
    }

    void on_action_failure(const mqtt::token& tok) override {
        std::cout << "Action failed for message id: " << tok.get_message_id() << std::endl;
    }

    void on_action_success(const mqtt::token& tok) override {
        std::cout << "Action succeeded for message id: " << tok.get_message_id() << std::endl;
    }
};

int main() {
    mqtt::async_client client(SERVER_ADDRESS, CLIENT_ID);
    MyCallBack cb;
    client.set_callback(cb);

    try {
        std::cout << "Connecting to broker..." << std::endl;
        client.connect()->wait();

        std::cout << "Subscribing to topic: " << TOPIC << std::endl;
        client.subscribe(TOPIC, 1);

        std::string line;
        while (true) {
            std::cout << "Enter message to send (or 'exit' to quit): ";
            std::getline(std::cin, line);

            if (line == "exit") break;

            client.publish(TOPIC, line.c_str(), line.length(), 1, false);
        }

        client.disconnect()->wait();
    } catch (const mqtt::exception& exc) {
        std::cerr << "MQTT error: " << exc.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

3. MQTT服务端代码（C++）

MQTT的服务端通常是指消息代理（broker），如 Mosquitto。你可以直接使用 Mosquitto 作为服务器，不需要自己实现服务端代码。

1. 启动 Mosquitto 服务器：

   mosquitto -d
   

   如果需要更改配置，可以编辑 /etc/mosquitto/mosquitto.conf 文件。

4. 测试用例

1. 启动 Mosquitto 服务器：

   mosquitto -d
   

2. 运行 MQTT 客户端程序：

   g++ -std=c++11 -o mqtt_client mqtt_client.cpp -lpaho-mqttpp3 -lpaho-mqtt3c
   ./mqtt_client
   

3. 在终端输入消息，例如：

   Enter message to send (or 'exit' to quit): Hello MQTT
   

4. 运行 mosquitto_sub 命令来订阅 test/topic：

   mosquitto_sub -t test/topic
   

5. 你将看到客户端发送的消息，例如：

   Hello MQTT
   

四、总结

• MQTT协议非常适合物联网设备和低带宽、高延迟的环境，采用了发布/订阅模式，能有效减少网络负担。
• 使用开源库如 Paho MQTT C++ 和 Mosquitto，可以很方便地实现MQTT客户端和服务器。
• 以上代码实现了一个简单的MQTT客户端，可以发送和接收消息。服务端通常由 Mosquitto 提供，可以直接安装和配置。