使用 MQTTnet 快速实现 MQTT 通信
2017-12-06

1 什么是 MQTT ?

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)是 IBM 开发的一个即时通讯协议,有可能成为物联网的重要组成部分。MQTT 是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议,如今已经成为 OASIS 规范,由于规范很简单,非常适合需要低功耗和网络带宽有限的 IoT 场景。MQTT官网

2 MQTTnet

MQTTnet 是一个基于 MQTT 通信的高性能 .NET 开源库,它同时支持 MQTT 服务器端和客户端。而且作者也保持更新,目前支持新版的.NET core,这也是选择 MQTTnet 的原因。 MQTTnet 在 Github 并不是下载最多的 .NET 的 MQTT 开源库,其他的还 MqttDotNetnMQTTM2MQTT

MQTTnet is a high performance .NET library for MQTT based communication. It provides a MQTT client and a MQTT server (broker). The implementation is based on the documentation from http://mqtt.org/.

3 创建项目并导入类库

这里我们使用 Visual Studio 2017 创建一个空解决方案,并在其中添加两个项目,即一个服务端和一个客户端,服务端项目模板选择最新的 .NET Core 控制台应用,客户端项目选择传统的 WinForm 窗体应用程序。.NET Core 项目模板如下图所示:
.NET Core 控制台应用

在解决方案在右键单击-选择“管理解决方案的 NuGet 程序包”-在“浏览”选项卡下面搜索 MQTTnet,为服务端项目和客户端项目都安装上 MQTTnet 库,当前最新稳定版为 2.4.0。项目结构如下图所示:
项目结构

4 服务端

MQTT 服务端主要用于与多个客户端保持连接,并处理客户端的发布和订阅等逻辑。一般很少直接从服务端发送消息给客户端(可以使用 mqttServer.Publish(appMsg); 直接发送消息),多数情况下服务端都是转发主题匹配的客户端消息,在系统中起到一个中介的作用。

4.1 创建服务端并启动

创建服务端最简单的方式是采用 MqttServerFactory 对象的 CreateMqttServer 方法来实现,该方法需要一个 MqttServerOptions 参数。

var options = new MqttServerOptions();var mqttServer = new MqttServerFactory().CreateMqttServer(options);

通过上述方式创建了一个 IMqttServer 对象后,调用其 StartAsync 方法即可启动 MQTT 服务。值得注意的是:之前版本采用的是 Start 方法,作者也是紧跟 C# 语言新特性,能使用异步的地方也都改为异步方式。

await mqttServer.StartAsync();

4.2 验证客户端

MqttServerOptions 选项中,你可以使用 ConnectionValidator 来对客户端连接进行验证。比如客户端ID标识 ClientId,用户名 Username 和密码 Password 等。

var options = new MqttServerOptions{  
  ConnectionValidator = c =>
    {       
     if (c.ClientId.Length < 10)
        {        
            return MqttConnectReturnCode.ConnectionRefusedIdentifierRejected;
        }        
        if (c.Username != "xxx" || c.Password != "xxx")
        {        
            return MqttConnectReturnCode.ConnectionRefusedBadUsernameOrPassword;
        }        
        return MqttConnectReturnCode.ConnectionAccepted;
    }
};

4.3 相关事件

服务端支持 ClientConnectedClientDisconnectedApplicationMessageReceived 事件,分别用来检查客户端连接、客户端断开以及接收客户端发来的消息。

其中 ClientConnectedClientDisconnected 事件的事件参数一个客户端连接对象 ConnectedMqttClient,通过该对象可以获取客户端ID标识 ClientId 和 MQTT 版本 ProtocolVersion

ApplicationMessageReceived 的事件参数包含了客户端ID标识 ClientId 和 MQTT 应用消息 MqttApplicationMessage 对象,通过该对象可以获取主题 Topic、QoS QualityOfServiceLevel 和消息内容 Payload 等信息。

5 客户端

MQTT 与 HTTP 不同,后者是基于请求/响应方式的,服务器端无法直接发送数据给客户端。而 MQTT 是基于发布/订阅模式的,所有的客户端均与服务端保持连接状态。

那么客户端之间是如何通信的呢?

具体逻辑是:某些客户端向服务端订阅它感兴趣(主题)的消息,另一些客户端向服务端发布(主题)消息,服务端将订阅和发布的主题进行匹配,并将消息转发给匹配通过的客户端。

5.1 创建客户端并连接

使用 MQTTnet 创建 MQTT 也非常简单,只需要使用 MqttClientFactory 对象的 CreateMqttClient 方法即可。

var mqttClient = new MqttClientFactory().CreateMqttClient();

创建客户端对象后,调用其异步方法 ConnectAsync 来连接到服务端。

await mqttClient.ConnectAsync(options);

调用该方法时需要传递一个 MqttClientTcpOptions 对象(之前的版本是在创建对象时使用该选项),该选项包含了客户端ID标识 ClientId、服务端地址(可以使用IP地址或域名)Server、端口号 Port、用户名 UserName、密码 Password 等信息。

var options = new MqttClientTcpOptions
{
    Server = "127.0.0.1",
    ClientId = "c001",
    UserName = "u001",
    Password = "p001",
    CleanSession = true};

5.2 相关事件

客户端支持 ConnectedDisconnectedApplicationMessageReceived 事件,用来处理客户端与服务端连接、客户端从服务端断开以及客户端收到消息的事情。

5.2 订阅消息

客户端连接到服务端之后,可以使用 SubscribeAsync 异步方法订阅消息,该方法可以传入一个可枚举或可变参数的主题过滤器 TopicFilter 参数,主题过滤器包含主题名和 QoS 等级。

mqttClient.SubscribeAsync(new List<TopicFilter> {   
 new TopicFilter("家/客厅/空调/#", MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce)
});

5.3 发布消息

发布消息前需要先构建一个消息对象 MqttApplicationMessage,最直接的方法是使用其实构造函数,传入主题、内容、Qos 等参数。

var appMsg = new MqttApplicationMessage("家/客厅/空调/开关", Encoding.UTF8.GetBytes("消息内容"), MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce, false);

得到 MqttApplicationMessage 消息对象后,通过客户端对象调用其 PublishAsync 异步方法进行消息发布。

mqttClient.PublishAsync(appMsg);

6 跟踪消息

MQTTnet 提供了一个静态类 MqttNetTrace 来对消息进行跟踪,该类可用于服务端和客户端。MqttNetTrace 的事件 TraceMessagePublished 用于跟踪服务端和客户端应用的日志消息,比如启动、停止、心跳、消息订阅和发布等。事件参数 MqttNetTraceMessagePublishedEventArgs 包含了线程ID ThreadId、来源 Source、日志级别 Level、日志消息 Message、异常信息 Exception 等。

MqttNetTrace.TraceMessagePublished += MqttNetTrace_TraceMessagePublished;private static void MqttNetTrace_TraceMessagePublished(object sender, MqttNetTraceMessagePublishedEventArgs e){
    Console.WriteLine($">> 线程ID:{e.ThreadId} 来源:{e.Source} 跟踪级别:{e.Level} 消息: {e.Message}");    if (e.Exception != null)
    {
        Console.WriteLine(e.Exception);
    }
}

同时 MqttNetTrace 类还提供了4个不同消息等级的静态方法,VerboseInformationWarningError,用于给出不同级别的日志消息,该消息将会在 TraceMessagePublished 事件中输出,你可以使用 e.Level 进行过虑。

7 运行效果

以下分别是服务端、客户端1和客户端2的运行效果,其中客户端1和客户端2只是同一个项目运行了两个实例。客户端1用于订阅传感器的“温度”数据,并模拟上位机(如 APP 等)发送开关控制命令;客户端2订阅上位机传来的“开关”控制命令,并模拟温度传感器上报温度数据。

7.1 服务端

服务端

7.2 客户端1

客户端1

7.2 客户端2

客户端2

8 Demo代码

8.1 服务端代码

using MQTTnet;
using MQTTnet.Core.Adapter;
using MQTTnet.Core.Diagnostics;
using MQTTnet.Core.Protocol;
using MQTTnet.Core.Server;
using System;using System.Text;
using System.Threading;

namespace MqttServerTest{    

class Program
    {    
        private static MqttServer mqttServer = null;    
            static void Main(string[] args)      
            {
            MqttNetTrace.TraceMessagePublished += MqttNetTrace_TraceMessagePublished;            new Thread(StartMqttServer).Start();          
            while (true)
            {                var inputString = Console.ReadLine().ToLower().Trim();                if (inputString == "exit")
                {
                    mqttServer?.StopAsync();
                    Console.WriteLine("MQTT服务已停止!");              
                          break;
                }               
                else if (inputString == "clients")         
                {               
                    foreach (var item in mqttServer.GetConnectedClients())
                    {
                        Console.WriteLine($"客户端标识:{item.ClientId},协议版本:{item.ProtocolVersion}");
                    }
                }               
                else
                {
                    Console.WriteLine($"命令[{inputString}]无效!");
                }
            }
        }      
        
          private static void StartMqttServer()   
          {       
          
            if (mqttServer == null)
            {               
             try
                {             
                    var options = new MqttServerOptions
                    {
                        ConnectionValidator = p =>
                        {                           
                         if (p.ClientId == "c001")
                            {                            
                                if (p.Username != "u001" || p.Password != "p001")
                                {                             
                                       return MqttConnectReturnCode.ConnectionRefusedBadUsernameOrPassword;
                                }
                            }                          
                            return MqttConnectReturnCode.ConnectionAccepted;
                        }
                    };

                    mqttServer = new MqttServerFactory().CreateMqttServer(options) as MqttServer;
                    mqttServer.ApplicationMessageReceived += MqttServer_ApplicationMessageReceived;
                    mqttServer.ClientConnected += MqttServer_ClientConnected;
                    mqttServer.ClientDisconnected += MqttServer_ClientDisconnected;
                }                catch (Exception ex)
                {
                    Console.WriteLine(ex.Message);                    return;
                }
            }

            mqttServer.StartAsync();
            Console.WriteLine("MQTT服务启动成功!");
        }       
        
         private static void MqttServer_ClientConnected(object sender, MqttClientConnectedEventArgs e)  {
            Console.WriteLine($"客户端[{e.Client.ClientId}]已连接,协议版本:{e.Client.ProtocolVersion}");
        }     
        
        private static void MqttServer_ClientDisconnected(object sender, MqttClientDisconnectedEventArgs e)        {
            Console.WriteLine($"客户端[{e.Client.ClientId}]已断开连接!");
        }      
        
        private static void MqttServer_ApplicationMessageReceived(object sender, MqttApplicationMessageReceivedEventArgs e)        {
            Console.WriteLine($"客户端[{e.ClientId}]>> 主题:{e.ApplicationMessage.Topic} 负荷:{Encoding.UTF8.GetString(e.ApplicationMessage.Payload)} Qos:{e.ApplicationMessage.QualityOfServiceLevel} 保留:{e.ApplicationMessage.Retain}");
        }      
        
        private static void MqttNetTrace_TraceMessagePublished(object sender, MqttNetTraceMessagePublishedEventArgs e)        {            /*Console.WriteLine($">> 线程ID:{e.ThreadId} 来源:{e.Source} 跟踪级别:{e.Level} 消息: {e.Message}");

            if (e.Exception != null)
            {
                Console.WriteLine(e.Exception);
            }*/
        }
    }
}

8.2 客户端代码

using MQTTnet;
using MQTTnet.Core;
using MQTTnet.Core.Client;
using MQTTnet.Core.Packets;
using MQTTnet.Core.Protocol;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace MqttClientWin{    

public partial class FmMqttClient : Form
    {      
      private MqttClient mqttClient = null;     
      
         public FmMqttClient()        {
            InitializeComponent();

            Task.Run(async () => { await ConnectMqttServerAsync(); });
        }       
        
         private async Task ConnectMqttServerAsync()        {         
           if (mqttClient == null)
            {
                mqttClient = new MqttClientFactory().CreateMqttClient() as MqttClient;
                mqttClient.ApplicationMessageReceived += MqttClient_ApplicationMessageReceived;
                mqttClient.Connected += MqttClient_Connected;
                mqttClient.Disconnected += MqttClient_Disconnected;
            }         
            try
            {              
              var options = new MqttClientTcpOptions
                {
                    Server = "127.0.0.1",
                    ClientId = Guid.NewGuid().ToString().Substring(0, 5),
                    UserName = "u001",
                    Password = "p001",
                    CleanSession = true
                };           
                     await mqttClient.ConnectAsync(options);
            }           
            catch (Exception ex)
            {
                Invoke((new Action(() =>
                {
                    txtReceiveMessage.AppendText($"连接到MQTT服务器失败!" + Environment.NewLine + ex.Message + Environment.NewLine);
                })));
            }
        }       
        
         private void MqttClient_Connected(object sender, EventArgs e)        {
            Invoke((new Action(() =>
            {
                txtReceiveMessage.AppendText("已连接到MQTT服务器!" + Environment.NewLine);
            })));
        }       
        
         private void MqttClient_Disconnected(object sender, EventArgs e)        {
            Invoke((new Action(() =>
            {
                txtReceiveMessage.AppendText("已断开MQTT连接!" + Environment.NewLine);
            })));
        }       
        
         private void MqttClient_ApplicationMessageReceived(object sender, MqttApplicationMessageReceivedEventArgs e)        {
            Invoke((new Action(() =>
            {
                txtReceiveMessage.AppendText($">> {Encoding.UTF8.GetString(e.ApplicationMessage.Payload)}{Environment.NewLine}");
            })));
        }        
        
        private void BtnSubscribe_ClickAsync(object sender, EventArgs e)        {      
            string topic = txtSubTopic.Text.Trim();    
            if (string.IsNullOrEmpty(topic))
            {
                MessageBox.Show("订阅主题不能为空!");         
                       return;
            }           
            if (!mqttClient.IsConnected)
            {
                MessageBox.Show("MQTT客户端尚未连接!");    
                           return;
            }

            mqttClient.SubscribeAsync(new List<TopicFilter> {      
                      new TopicFilter(topic, MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce)
            });

            txtReceiveMessage.AppendText($"已订阅[{topic}]主题" + Environment.NewLine);
            txtSubTopic.Enabled = false;
            btnSubscribe.Enabled = false;
        }        private void BtnPublish_Click(object sender, EventArgs e)        {            string topic = txtPubTopic.Text.Trim();            if (string.IsNullOrEmpty(topic))
            {
                MessageBox.Show("发布主题不能为空!");                return;
            }            string inputString = txtSendMessage.Text.Trim();            var appMsg = new MqttApplicationMessage(topic, Encoding.UTF8.GetBytes(inputString), MqttQualityOfServiceLevel.AtMostOnce, false);
            mqttClient.PublishAsync(appMsg);
        }
    }
}

9 参考



原文: http://www.cnblogs.com/kuige/articles/7724786.html