基于MQTT協(xié)議的天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉曉鋒，崔宗星，米喬，馬隆，鄭婷

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068）

0 引言

隨著天基信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，天基網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，迫切需要提升天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視能力，能夠?qū)Τ笠?guī)模網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和信息要素的全狀態(tài)綜合監(jiān)視，為用戶快速做出干預(yù)決策提供信息支持。天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視是集信息獲取、存儲(chǔ)與處理等功能為一體，在其內(nèi)部有大容量網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)時(shí)交互，因此需設(shè)計(jì)高效、輕量化的傳輸協(xié)議。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）是一種輕量級(jí)基于代理的發(fā)布/訂閱的消息傳輸協(xié)議，其設(shè)計(jì)思想是開(kāi)放、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適合在計(jì)算和處理能力受限的環(huán)境下工作[1]。本文在研究分析MQTT協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)的部署需求，完成天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程研制，總結(jié)并提出完整的設(shè)計(jì)方案，具有一定的學(xué)習(xí)參考意義。

1 天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)采用C/S技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與數(shù)據(jù)服務(wù)的分類(lèi)，提高系統(tǒng)的維護(hù)性和安全性，同時(shí)具備兼容多種通信協(xié)議的能力。全網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心服務(wù)器是搜集、匯總、分析存儲(chǔ)整個(gè)天基網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的中樞，可以保證數(shù)據(jù)的安全可靠運(yùn)行。天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訂閱/發(fā)布、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及服務(wù)質(zhì)量控制等功能，能夠?yàn)樘旎W(wǎng)絡(luò)監(jiān)視席位提供應(yīng)用支撐服務(wù)。天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視席位或應(yīng)用實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、拓?fù)潢P(guān)系等信息可視化展示。天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用發(fā)布/訂閱的MQTT（遙測(cè)遠(yuǎn)程）協(xié)議。利用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視席位與服務(wù)之間通信。天基網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與本地監(jiān)視應(yīng)用構(gòu)成服務(wù)監(jiān)視系統(tǒng)，具備本地化監(jiān)視的能力，兩者信息交互依靠線程任務(wù)通信的方式。本文主要介紹天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖1 天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 MQTT傳輸協(xié)議機(jī)制

MQTT是基于TCP上的應(yīng)用層協(xié)議，采用發(fā)布/訂閱模式對(duì)消息進(jìn)行傳輸，本節(jié)將從MQTT消息格式、消息訂閱及具體實(shí)現(xiàn)三方面展開(kāi)設(shè)計(jì)。

2.1 MQTT消息格式

MQTT消息體主要由消息報(bào)頭和消息內(nèi)容兩部分組成，固定報(bào)頭是每個(gè)命令消息都必須包含的部分，其中長(zhǎng)度為兩個(gè)字節(jié)，固定格式如表1所述。其中Mes?sage Type為報(bào)文類(lèi)型，共計(jì)14種。QoS Level服務(wù)質(zhì)量等級(jí)分為三個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高，需要的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)越多，通信效率受影響越大[2]。Remaining Length剩余長(zhǎng)度指可變頭部和有效信息的總長(zhǎng)度，最大能夠擴(kuò)展到4字節(jié)，可表示長(zhǎng)度為256MB。

表1 MQTT消息固定頭格式

2.2 MQTT消息訂閱機(jī)制

在本文所設(shè)計(jì)的天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)中，天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)從全網(wǎng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器訂閱消息的主要過(guò)程包括以下三個(gè)步驟：

（1）天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)與數(shù)據(jù)中心建立TCP連接，并向數(shù)據(jù)中心發(fā)送CONNECT消息；

（2）天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)接收到數(shù)據(jù)中心發(fā)送的CONNACK消息后，發(fā)送訂閱有關(guān)Topic主題；

（3）天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)接收到數(shù)據(jù)中心向其發(fā)送SUBACK消息，表明訂閱成功。

結(jié)合MQTT消息訂閱主要步驟中，總結(jié)出MQTT消息訂閱處理流程，見(jiàn)圖2所示。

2.3 實(shí)現(xiàn)步驟

以天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)MQTT消息訂閱機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例程，介紹基于Vxworks的具體開(kāi)發(fā)過(guò)程。首先，將IBM提供的MQTT-3.1.1開(kāi)源代碼封裝成lib庫(kù)，從而可以提供MQTT發(fā)布/訂閱的API接口函數(shù)。其次，創(chuàng)建接收MQTT訂閱消息的應(yīng)用線程，開(kāi)發(fā)應(yīng)用功能程序，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）訂閱主題初始化

MQTT連接參數(shù)MQTTPacket_connectData中心跳包間隔設(shè)置為500，重新連接清除標(biāo)志置為1；訂閱主題為“SATNET”；可根據(jù)不同的Topic主題，設(shè)置差異化的服務(wù)質(zhì)量[3]。

最多一次：消息可能丟失或重復(fù)；

至少一次：確保消息可達(dá)，但消息可能會(huì)重復(fù)；

僅一次：消息到達(dá)一次，消息重復(fù)或丟失導(dǎo)致不正確的結(jié)果。

圖2 MQTT消息訂閱流程

（2）建立連接

首先初始化網(wǎng)絡(luò)配置調(diào)用transport_open（）函數(shù)，然后調(diào)用接口函數(shù)MQTTSerialize_Connect（）及發(fā)送函數(shù)transport_sendPackBuff（）。

（3）接收連接應(yīng)答消息并發(fā)送訂閱主題

執(zhí)行MQTTPacket_read（）函數(shù)，查看返回值是否等于2（CONACK），若返回值為2表示建立連接成功，調(diào)用函數(shù)transport_sendPackBuff（）發(fā)送訂閱主題“SAT?NET”。

（4）接收訂閱主題應(yīng)答消息

當(dāng)函數(shù) MQTTPacket_read（）返回值等于 9（SUB?ACK）時(shí)，表明訂閱成功；否則表示訂閱不成功。

（5）訂閱主題消息

運(yùn)行MQTT消息接收線程，若消息讀取函數(shù)MQTT?Packet_read（）返回值為 3（PUBLISH）時(shí)，表明為消息類(lèi)型為主題消息，接著調(diào)用MQTT訂閱消息獲取函數(shù)MQTTDeserialize_publish（），完成消息內(nèi)容的讀取。

3 數(shù)據(jù)解析

天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)與數(shù)據(jù)中心交換的數(shù)據(jù)格式采用 JSON（JavaScript Object Notation）格式。JSON作為一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸格式，可以在多種語(yǔ)言之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[4]。采用這種數(shù)據(jù)格式有利于提高封裝傳輸效率，減少通信帶寬，有利于多個(gè)監(jiān)控席位接入訪問(wèn)。

3.1 Json數(shù)據(jù)格式

在Json數(shù)據(jù)格式中，一個(gè)對(duì)象用JSON數(shù)據(jù)格式表示如下：

{屬性名1:屬性值,屬性名2:屬性值2...}

作者簡(jiǎn)介：馮榮惠，男，漢族，福建省南靖縣山城鎮(zhèn)文技校，一級(jí)教師，南靖縣優(yōu)秀教師，專(zhuān)科學(xué)歷，研究方向：小學(xué)語(yǔ)文教育。

說(shuō)明：屬性名必須有引號(hào)（單引號(hào)，或者雙引號(hào)）引起來(lái)。屬性值如果是字符串，則必須使用引號(hào)引起來(lái)。屬性值的類(lèi)型可以是string,number,Boolean等類(lèi)型。

例如在天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視某個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)用Json格式表示如下：

{"PlatformID":1000,"SubnetID",1,"NetStatues",1,"CommMode",2,"CurTime","2018-1-1 10:10:40"}。上述數(shù)據(jù)內(nèi)容表示在2018年1月1日10點(diǎn)10分40秒時(shí)，編識(shí)號(hào)為1000的成員為在網(wǎng)狀態(tài)（用1表示），其所在的子網(wǎng)號(hào)為1，物理通信體制為T(mén)DMA的方式。

3.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

采用JSON數(shù)據(jù)解析的第三庫(kù)完成服務(wù)器推送的數(shù)據(jù)內(nèi)容解析，即將JSON格式數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)體。數(shù)據(jù)類(lèi)型主要包括整型和字符型。主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）JSON數(shù)據(jù)格式解析

運(yùn)行函數(shù) cJSON_Parse（strData），strData為字符指針，指向MQTT訂閱的主題消息存儲(chǔ)區(qū)，返回值為cJson類(lèi)型的指針pJsonData。

（2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)體

依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的信息內(nèi)容定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體NetSat?usInfo，具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體格式

調(diào)用 GetObjectItem（strData,"PlatformID"）函數(shù)，返回cJson數(shù)據(jù)類(lèi)型的指針pJsonPlatformID，接著依據(jù)結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)類(lèi)型調(diào)用轉(zhuǎn)換函數(shù)valueint可得到Net?SatusInfo中編識(shí)號(hào)數(shù)據(jù)項(xiàng)值，其他數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換方式如上所述。

4 統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)

考慮本地和遠(yuǎn)端服務(wù)一體化設(shè)計(jì)，需對(duì)監(jiān)視服務(wù)與應(yīng)用之間進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式接口設(shè)計(jì)。具體接口協(xié)議見(jiàn)表3。

表3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)與應(yīng)用之間接口

在表3中，消息內(nèi)容是指網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息編碼后的字節(jié)，采用大端編碼方式。

5 本地監(jiān)視應(yīng)用設(shè)計(jì)

在Qt軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下對(duì)本地天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視應(yīng)用功能開(kāi)發(fā)，并利用WindRiver交叉編譯環(huán)境生成可執(zhí)行程序，加載在信息處理板上。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視應(yīng)用進(jìn)程，把它作為整個(gè)監(jiān)視服務(wù)的一個(gè)任務(wù)。界面設(shè)計(jì)原則是基于圖標(biāo)方式顯示網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視信息。

本地天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視應(yīng)用與服務(wù)運(yùn)行在同一塊信息處理板卡上，兩者之間采用基于消息隊(duì)列的任務(wù)通信的方式。通過(guò)調(diào)用msgQReceive函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)間數(shù)據(jù)的接收；執(zhí)行msgQSend函數(shù)能夠完成任務(wù)間消息的發(fā)送。

6 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用在某型系統(tǒng)中，解決了分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)通信機(jī)制的問(wèn)題，采用發(fā)布/訂閱MQTT協(xié)議、基于消息隊(duì)列的任務(wù)通信等技術(shù)手段，按照服務(wù)接口統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原則，完成天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)的設(shè)計(jì)，能夠?yàn)樘旎W(wǎng)絡(luò)監(jiān)視席位提供應(yīng)用服務(wù)，滿足多維度信息監(jiān)視的需求。此外，天基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)具有穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，有利于加裝推廣應(yīng)用。

[1]IBM.MQTelemetryTransport[2013-06-05].http://msqq.org.

[2]關(guān)慶余，李鴻彬，于波.MQTT協(xié)議在Android平臺(tái)上的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2014，23（4）：197-200．

[3]任亨.基于 MQTT 協(xié)議的消息推送服務(wù)器[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2014，23（3）：77-82．

[4]高靜，段會(huì)川.JSON 數(shù)據(jù)傳輸效率研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（7）：2267-2270．