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ASP.NET Core 使用 MQTTnet 实现 MQTT 通讯协议

yufei       2 年, 5 月 前       9402

MQTT 是啥呢？

MQTT ，英文全称 Message Queuing Telemetry Transport，是一种基于 发布/订阅 模式的轻量级的消息传输协议，由 IBM 公司出品。

物联网兴起后，MQTT 因为够轻量，低带宽和低延时而被推上浪潮之巅。其实，MQTT 几乎就是专门为网络受限设备、低带宽以及高延时和不可靠的网络而设计。

我们可以确定的说，MQTT 就是为物联网而准备的，是当下大火的智能家居的首选协议。

MQTT 经常拿来和 XAPP 相比较，其实这没啥可比性，MQTT 基于二进制，而 XAPP 基于 XML，两个几乎可以说不同的用途。

.NET Core 实现的 MQTT 客户端

其实，早期，早在 .NET Framework 框架兴起的时候，MQTT 的 .NET 实现遍地开花，有 MQTTnet、MqttDotNet、nMQTT、M2MQTT，但随着时间的推移，目前还在维护的开源实现，只有 MQTTnet 了。

本文，我们将使用 MQTTnet 来实现，它的官方地址为 https://github.com/chkr1011/MQTTnet

运行效果

我们先来看看运行效果

dotnet_mqtt_demo_1.png

范例环境

本人所使用的环境，为 .NET Core 5.0 和 MQTTnet 3.1.0，并且从一个 命令行应用程序模板 开始。

创建项目添加依赖

打开你的 Visual Studio 或 Visual Studio Code 创建一个名为 mqttdemo 的 命令行应用程序 项目。或者运行下面的命令行创建

dotnet new console --name mqttdemo

MQTTnet 的 NuGet 页面地址为 https://www.nuget.org/packages/MQTTnet/ 你可以点击链接访问并查看如何安装

然后打开 NutGet 搜索 MQTTnet 添加 MQTTnet 依赖。 如果你使用 Package Manager 工具，也可以运行下面的命令添加

Install-Package MQTTnet -Version 3.1.0

如果你和我一样习惯使用命令行，那么可以运行下面的命令添加

dotnet add package MQTTnet --version 3.1.0

编写服务器端实现

MQTTnet 在 MQTTnet.Server 命名空间内实现了服务器相关的逻辑。而其中最重要的类和接口就是 IMqttServer 和 MqttFactory。

private static async void StartServer()
{
    try
    {
        // 1. 创建 MQTT 连接验证，用于连接鉴权
        MqttServerConnectionValidatorDelegate connectionValidatorDelegate = new MqttServerConnectionValidatorDelegate(
            p =>
            {
                // p 表示正在发起的一个链接的上下文

                // 客户端 id 验证
                // 大部分情况下，我们应该使用设备识别号来验证
                if ( p.ClientId == "twle_client")
                {
                    // 用户名和密码验证
                    // 大部分情况下，我们应该使用客户端加密 token 验证，也就是可客户端 ID 对应的密钥加密后的 token
                    if ( p.Username != "yufei" && p.Password != "123456")
                    {
                        // 验证失败，告诉客户端，鉴权失败
                        p.ReasonCode = MQTTnet.Protocol.MqttConnectReasonCode.BadUserNameOrPassword;
                    }
                }
            }
        );


        // 2. 创建 MqttServerOptions 的实例，用来定制 MQTT 的各种参数
        MqttServerOptions options = new MqttServerOptions();

        // 3. 设置各种选项
        // 客户端鉴权
        options.ConnectionValidator =  connectionValidatorDelegate;

        // 设置服务器端地址和端口号
        options.DefaultEndpointOptions.Port = 8001;

        // 4. 创建 MqttServer 实例
        mqttServer = new MqttFactory().CreateMqttServer();

        // 5. 设置 MqttServer 的属性
        // 设置消息订阅通知
        mqttServer.ClientSubscribedTopicHandler = new MqttServerClientSubscribedTopicHandlerDelegate(SubScribedTopic);
        // 设置消息退订通知
        mqttServer.ClientUnsubscribedTopicHandler = new MqttServerClientUnsubscribedTopicHandlerDelegate(UnScribedTopic);
        // 设置消息处理程序
        mqttServer.UseApplicationMessageReceivedHandler(MessageReceived);
        // 设置客户端连接成功后的处理程序
        mqttServer.UseClientConnectedHandler(ClientConnected);
        // 设置客户端断开后的处理程序
        mqttServer.UseClientDisconnectedHandler(ClientDisConnected);

        // 启动服务器
        await mqttServer.StartAsync(options);


        Console.WriteLine("服务器启动成功！直接按回车停止服务");
        Console.ReadLine();

    } catch(Exception ex)
    {
        Console.Write($"服务器启动失败:{ex}");
    }
}


// 客户端发起订阅主题通知
private static void SubScribedTopic(MqttServerClientSubscribedTopicEventArgs args)
{
    // 获取客户端识别码
    string clientId = args.ClientId;
    // 获取客户端发起的订阅主题
    string topic = args.TopicFilter.Topic;

    Console.WriteLine($"客户端[{clientId}]已订阅主题:{topic}");
}

// 客户端取消主题订阅通知
private static void UnScribedTopic(MqttServerClientUnsubscribedTopicEventArgs args)
{
    // 获取客户端识别码
    string clientId = args.ClientId;
    // 获取客户端发起的订阅主题
    string topic = args.TopicFilter;

    Console.WriteLine($"客户端[{clientId}]已退订主题:{topic}");
}

// 接收客户端发送的消息
private static void MessageReceived(MqttApplicationMessageReceivedEventArgs args)
{
    // 获取消息的客户端识别码
    string clientId = args.ClientId;
    // 获取消息的主题
    string topic = args.ApplicationMessage.Topic;
    // 获取发送的消息内容
    string payload = Encoding.UTF8.GetString(args.ApplicationMessage.Payload);
    // 获取消息的发送级别(Qos)
    var qos = args.ApplicationMessage.QualityOfServiceLevel;
    // 获取消息的保持形式
    bool retain = args.ApplicationMessage.Retain;

    Console.WriteLine($"客户端[{clientId}] >> 主题: [{topic}] 内容: [{payload}] Qos: [{qos}] Retain:[{retain}]");

}

// 客户端连接成功后的的处理通知
private static void ClientConnected(MqttServerClientConnectedEventArgs args)
{
    // 获取客户端识别码
    string clientId = args.ClientId;

    Console.WriteLine($"新客户端[{clientId}] 加入");
}

// 客户端断开连接通知
private static void ClientDisConnected(MqttServerClientDisconnectedEventArgs args)
{
    // 获取客户端识别码
    string clientId = args.ClientId;

    Console.WriteLine($"新客户端[{clientId}] 已经离开");
}

代码就不做过多解释了，看注释即可

然后我们修改下 Main() 方法

static void Main(string[] args)
{
    if (args.Length != 1)
    {
        Console.WriteLine("usage [dotnet run server] start server daemon");
    }

    if (args[0] == "server")
    {
        StartServer();
    }
}

最后在命令行里输入

dotnet run server

即可启动服务器，输出结果如下

服务器启动成功！直接按回车停止服务

客户度实现

MQTTnet 的客户端实现和服务器端实现差不多，代码如下

 private static void StartClient()
{
    ConnectToServer();
    SendMessage();
}


private static void ConnectToServer()
{
    try
    {
        // 1. 创建 MQTT 客户端
        mqttClient = new MqttFactory().CreateMqttClient();


        // 2 . 设置 MQTT 客户端选项
        MqttClientOptionsBuilder optionsBuilder = new MqttClientOptionsBuilder();

        // 设置服务器端地址
        optionsBuilder.WithTcpServer("127.0.0.1", 8001);

        // 设置鉴权参数
        optionsBuilder.WithCredentials("yufei", "123456");

        // 设置客户端序列号
        optionsBuilder.WithClientId(Guid.NewGuid().ToString());

        // 创建选项
        IMqttClientOptions options = optionsBuilder.Build();


        // 设置消息接收处理程序
        mqttClient.UseApplicationMessageReceivedHandler(args => {
            Console.WriteLine("### 收到来自服务器端的消息 ###");
            // 收到的消息主题
            string topic = args.ApplicationMessage.Topic;
            // 收到的的消息内容
            string payload = Encoding.UTF8.GetString(args.ApplicationMessage.Payload);
            // 收到的发送级别(Qos)
            var qos = args.ApplicationMessage.QualityOfServiceLevel;
            // 收到的消息保持形式
            bool retain = args.ApplicationMessage.Retain;

            Console.WriteLine($"主题: [{topic}] 内容: [{payload}] Qos: [{qos}] Retain:[{retain}]");
        });

        // 重连机制
        mqttClient.UseDisconnectedHandler(async e =>
        {
            Console.WriteLine("与服务器之间的连接断开了，正在尝试重新连接");
            // 等待 5s 时间
            await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(5));
            try
            {
                // 重新连接
                await mqttClient.ConnectAsync(options);
            } catch(Exception ex)
            {
                Console.WriteLine($"重新连接服务器失败:{ex}");
            }
        });

        // 连接到服务器
        mqttClient.ConnectAsync(options);
        Console.WriteLine("连接服务器成功！请输入任意内容并回车进入菜单界面");


    } catch (Exception ex)
    {
        Console.Write($"连接服务器失败: {ex}");
    }
}

private static void SendMessage()
{
    Console.ReadLine();

    // 是否退出
    bool isExit = false;

    while(!isExit)
    {
        Console.WriteLine(@"请输入
            1. 订阅主题
            2. 取消订阅
            3. 发送消息
            4. 退出");

        string input = Console.ReadLine();
        string topic = "";

        switch(input)
        {
            case "1":
                Console.WriteLine(@"请输入主题名称：");
                topic = Console.ReadLine();
                ClientSubscribeTopic(topic);
                break;
            case "2":
                Console.WriteLine(@"请输入需要退订的主题名称：");
                topic = Console.ReadLine();
                ClientUnsubscribeTopic(topic);
                break;
            case "3":
                Console.WriteLine(@"请输入需要发送的主题名称: ");
                topic = Console.ReadLine();
                Console.WriteLine(@"请输入需要发送的消息内容：");
                string message = Console.ReadLine();
                ClientPublish(topic,message);
                break;
            case "4":
                isExit = true;
                break;
            default:
                Console.WriteLine("请输入正确的指令");
                break;
        }
    }
}

private static async void ClientSubscribeTopic(string topic)
{
    topic = topic.Trim();
    if( string.IsNullOrEmpty(topic) ) {
        Console.Write("订阅主题不能为空！");
        return;
    }

    // 判断客户端是否连接
    if (!mqttClient.IsConnected)
    {
        Console.WriteLine("MQTT 客户端尚未连接!");
        return;
    }

    // 设置订阅参数
    var subscribeOptions = new MqttClientSubscribeOptionsBuilder()
        .WithTopicFilter(topic)
        .Build();

    // 订阅
    await mqttClient.SubscribeAsync(
            subscribeOptions,
            System.Threading.CancellationToken.None);
}

private static async void ClientUnsubscribeTopic(string topic)
{
    topic = topic.Trim();
    if (string.IsNullOrEmpty(topic))
    {
        Console.Write("退订主题不能为空！");
        return;
    }

    // 判断客户端是否连接
    if (!mqttClient.IsConnected)
    {
        Console.WriteLine("MQTT 客户端尚未连接!");
        return;
    }

    // 设置订阅参数
    var subscribeOptions = new MqttClientUnsubscribeOptionsBuilder()
        .WithTopicFilter(topic)
        .Build();


    // 退订
    await mqttClient.UnsubscribeAsync(
            subscribeOptions,
            System.Threading.CancellationToken.None);
}


private async static void ClientPublish(string topic,string message)
{
    topic = topic.Trim();
    message = message.Trim();

    if (string.IsNullOrEmpty(topic))
    {
        Console.Write("退订主题不能为空！");
        return;
    }

    // 判断客户端是否连接
    if (!mqttClient.IsConnected)
    {
        Console.WriteLine("MQTT 客户端尚未连接!");
        return;
    }

    // 填充消息
    var applicationMessage = new MqttApplicationMessageBuilder()
        .WithTopic(topic)       // 主题
        .WithPayload(message)   // 消息
        .WithExactlyOnceQoS()   // qos
        .WithRetainFlag()       // retain
        .Build();

    await mqttClient.PublishAsync(applicationMessage);
}

最后我们改一下 Main() 函数

static void Main(string[] args)
{
    if (args.Length != 1)
    {
        Console.WriteLine("usage [dotnet run server] start server daemon");
        Console.WriteLine("usage [dotnet run client] start client daemon");
    }

    if (args[0] == "server")
    {
        StartServer();
    }

    if (args[0] == "client")
    {
        StartClient();
    }
}

运行下面的命令即可开启客户端

dotnet run client

你可以开启多个客户度试一试。

完整的代码如下

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Text;
using MQTTnet;
using MQTTnet.Server;
using MQTTnet.Client;
using MQTTnet.Client.Options;
using MQTTnet.Client.Subscribing;
using MQTTnet.Client.Unsubscribing;

namespace mqttdemo
{
    class Program
    {
        // MQTT 服务器端
        public static IMqttServer mqttServer;

        // MQTT 客户端
        public static IMqttClient mqttClient;

        static void Main(string[] args)
        {
            if (args.Length != 1)
            {
                Console.WriteLine("usage [dotnet run server] start server daemon");
                Console.WriteLine("usage [dotnet run client] start client daemon");
            }

            if (args[0] == "server")
            {
                StartServer();
            }

            if (args[0] == "client")
            {
                StartClient();
            }
        }

        private static async void StartServer()
        {
            try
            {
                // 1. 创建 MQTT 连接验证，用于连接鉴权
                MqttServerConnectionValidatorDelegate connectionValidatorDelegate = new MqttServerConnectionValidatorDelegate(
                    p =>
                    {
                        // p 表示正在发起的一个链接的上下文

                        // 客户端 id 验证
                        // 大部分情况下，我们应该使用设备识别号来验证
                        if ( p.ClientId == "twle_client")
                        {
                            // 用户名和密码验证
                            // 大部分情况下，我们应该使用客户端加密 token 验证，也就是可客户端 ID 对应的密钥加密后的 token
                            if ( p.Username != "yufei" && p.Password != "123456")
                            {
                                // 验证失败，告诉客户端，鉴权失败
                                p.ReasonCode = MQTTnet.Protocol.MqttConnectReasonCode.BadUserNameOrPassword;
                            }
                        }
                    }
                );


                // 2. 创建 MqttServerOptions 的实例，用来定制 MQTT 的各种参数
                MqttServerOptions options = new MqttServerOptions();

                // 3. 设置各种选项
                // 客户端鉴权
                options.ConnectionValidator =  connectionValidatorDelegate;

                // 设置服务器端地址和端口号
                options.DefaultEndpointOptions.Port = 8001;

                // 4. 创建 MqttServer 实例
                mqttServer = new MqttFactory().CreateMqttServer();

                // 5. 设置 MqttServer 的属性
                // 设置消息订阅通知
                mqttServer.ClientSubscribedTopicHandler = new MqttServerClientSubscribedTopicHandlerDelegate(SubScribedTopic);
                // 设置消息退订通知
                mqttServer.ClientUnsubscribedTopicHandler = new MqttServerClientUnsubscribedTopicHandlerDelegate(UnScribedTopic);
                // 设置消息处理程序
                mqttServer.UseApplicationMessageReceivedHandler(MessageReceived);
                // 设置客户端连接成功后的处理程序
                mqttServer.UseClientConnectedHandler(ClientConnected);
                // 设置客户端断开后的处理程序
                mqttServer.UseClientDisconnectedHandler(ClientDisConnected);

                // 启动服务器
                await mqttServer.StartAsync(options);


                Console.WriteLine("服务器启动成功！直接按回车停止服务");
                Console.ReadLine();

            } catch(Exception ex)
            {
                Console.Write($"服务器启动失败:{ex}");
            }
        }


        // 客户端发起订阅主题通知
        private static void SubScribedTopic(MqttServerClientSubscribedTopicEventArgs args)
        {
            // 获取客户端识别码
            string clientId = args.ClientId;
            // 获取客户端发起的订阅主题
            string topic = args.TopicFilter.Topic;

            Console.WriteLine($"客户端[{clientId}]已订阅主题:{topic}");
        }

        // 客户端取消主题订阅通知
        private static void UnScribedTopic(MqttServerClientUnsubscribedTopicEventArgs args)
        {
            // 获取客户端识别码
            string clientId = args.ClientId;
            // 获取客户端发起的订阅主题
            string topic = args.TopicFilter;

            Console.WriteLine($"客户端[{clientId}]已退订主题:{topic}");
        }

        // 接收客户端发送的消息
        private static void MessageReceived(MqttApplicationMessageReceivedEventArgs args)
        {
            // 获取消息的客户端识别码
            string clientId = args.ClientId;
            // 获取消息的主题
            string topic = args.ApplicationMessage.Topic;
            // 获取发送的消息内容
            string payload = Encoding.UTF8.GetString(args.ApplicationMessage.Payload);
            // 获取消息的发送级别(Qos)
            var qos = args.ApplicationMessage.QualityOfServiceLevel;
            // 获取消息的保持形式
            bool retain = args.ApplicationMessage.Retain;

            Console.WriteLine($"客户端[{clientId}] >> 主题: [{topic}] 内容: [{payload}] Qos: [{qos}] Retain:[{retain}]");

        }

        // 客户端连接成功后的的处理通知
        private static void ClientConnected(MqttServerClientConnectedEventArgs args)
        {
            // 获取客户端识别码
            string clientId = args.ClientId;

            Console.WriteLine($"新客户端[{clientId}] 加入");
        }

        // 客户端断开连接通知
        private static void ClientDisConnected(MqttServerClientDisconnectedEventArgs args)
        {
            // 获取客户端识别码
            string clientId = args.ClientId;

            Console.WriteLine($"新客户端[{clientId}] 已经离开");
        }




        private static void StartClient()
        {
            ConnectToServer();
            SendMessage();
        }


        private static void ConnectToServer()
        {
            try
            {
                // 1. 创建 MQTT 客户端
                mqttClient = new MqttFactory().CreateMqttClient();


                // 2 . 设置 MQTT 客户端选项
                MqttClientOptionsBuilder optionsBuilder = new MqttClientOptionsBuilder();

                // 设置服务器端地址
                optionsBuilder.WithTcpServer("127.0.0.1", 8001);

                // 设置鉴权参数
                optionsBuilder.WithCredentials("yufei", "123456");

                // 设置客户端序列号
                optionsBuilder.WithClientId(Guid.NewGuid().ToString());

                // 创建选项
                IMqttClientOptions options = optionsBuilder.Build();


                // 设置消息接收处理程序
                mqttClient.UseApplicationMessageReceivedHandler(args => {
                    Console.WriteLine("### 收到来自服务器端的消息 ###");
                    // 收到的消息主题
                    string topic = args.ApplicationMessage.Topic;
                    // 收到的的消息内容
                    string payload = Encoding.UTF8.GetString(args.ApplicationMessage.Payload);
                    // 收到的发送级别(Qos)
                    var qos = args.ApplicationMessage.QualityOfServiceLevel;
                    // 收到的消息保持形式
                    bool retain = args.ApplicationMessage.Retain;

                    Console.WriteLine($"主题: [{topic}] 内容: [{payload}] Qos: [{qos}] Retain:[{retain}]");
                });

                // 重连机制
                mqttClient.UseDisconnectedHandler(async e =>
                {
                    Console.WriteLine("与服务器之间的连接断开了，正在尝试重新连接");
                    // 等待 5s 时间
                    await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(5));
                    try
                    {
                        // 重新连接
                        await mqttClient.ConnectAsync(options);
                    } catch(Exception ex)
                    {
                        Console.WriteLine($"重新连接服务器失败:{ex}");
                    }
                });

                // 连接到服务器
                mqttClient.ConnectAsync(options);
                Console.WriteLine("连接服务器成功！请输入任意内容并回车进入菜单界面");


            } catch (Exception ex)
            {
                Console.Write($"连接服务器失败: {ex}");
            }
        }

        private static void SendMessage()
        {
            Console.ReadLine();

            // 是否退出
            bool isExit = false;

            while(!isExit)
            {
                Console.WriteLine(@"请输入
                    1. 订阅主题
                    2. 取消订阅
                    3. 发送消息
                    4. 退出");

                string input = Console.ReadLine();
                string topic = "";

                switch(input)
                {
                    case "1":
                        Console.WriteLine(@"请输入主题名称：");
                        topic = Console.ReadLine();
                        ClientSubscribeTopic(topic);
                        break;
                    case "2":
                        Console.WriteLine(@"请输入需要退订的主题名称：");
                        topic = Console.ReadLine();
                        ClientUnsubscribeTopic(topic);
                        break;
                    case "3":
                        Console.WriteLine(@"请输入需要发送的主题名称: ");
                        topic = Console.ReadLine();
                        Console.WriteLine(@"请输入需要发送的消息内容：");
                        string message = Console.ReadLine();
                        ClientPublish(topic,message);
                        break;
                    case "4":
                        isExit = true;
                        break;
                    default:
                        Console.WriteLine("请输入正确的指令");
                        break;
                }
            }
        }

        private static async void ClientSubscribeTopic(string topic)
        {
            topic = topic.Trim();
            if( string.IsNullOrEmpty(topic) ) {
                Console.Write("订阅主题不能为空！");
                return;
            }

            // 判断客户端是否连接
            if (!mqttClient.IsConnected)
            {
                Console.WriteLine("MQTT 客户端尚未连接!");
                return;
            }

            // 设置订阅参数
            var subscribeOptions = new MqttClientSubscribeOptionsBuilder()
                .WithTopicFilter(topic)
                .Build();

            // 订阅
            await mqttClient.SubscribeAsync(
                    subscribeOptions,
                    System.Threading.CancellationToken.None);
        }

        private static async void ClientUnsubscribeTopic(string topic)
        {
            topic = topic.Trim();
            if (string.IsNullOrEmpty(topic))
            {
                Console.Write("退订主题不能为空！");
                return;
            }

            // 判断客户端是否连接
            if (!mqttClient.IsConnected)
            {
                Console.WriteLine("MQTT 客户端尚未连接!");
                return;
            }

            // 设置订阅参数
            var subscribeOptions = new MqttClientUnsubscribeOptionsBuilder()
                .WithTopicFilter(topic)
                .Build();


            // 退订
            await mqttClient.UnsubscribeAsync(
                    subscribeOptions,
                    System.Threading.CancellationToken.None);
        }


        private async static void ClientPublish(string topic,string message)
        {
            topic = topic.Trim();
            message = message.Trim();

            if (string.IsNullOrEmpty(topic))
            {
                Console.Write("退订主题不能为空！");
                return;
            }

            // 判断客户端是否连接
            if (!mqttClient.IsConnected)
            {
                Console.WriteLine("MQTT 客户端尚未连接!");
                return;
            }

            // 填充消息
            var applicationMessage = new MqttApplicationMessageBuilder()
                .WithTopic(topic)       // 主题
                .WithPayload(message)   // 消息
                .WithExactlyOnceQoS()   // qos
                .WithRetainFlag()       // retain
                .Build();

            await mqttClient.PublishAsync(applicationMessage);
        } 
    }
}
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