如何在 Rust 中使用 MQTT

Rust 是由 Mozilla 主导开发的通用、编译型编程语言。该语言的设计准则为:安全、并发、实用,支持 函数式并发式过程式以及面向对象的编程风格。Rust 速度惊人且内存利用率极高。由于没有运行时和垃圾回收,它能够胜任对性能要求特别高的服务,可以在嵌入式设备上运行,还能轻松和其他语言集成。Rust 丰富的类型系统和所有权模型保证了内存安全和线程安全,让您在编译期就能够消除各种各样的错误。

MQTT 是一种基于发布/订阅模式的 轻量级物联网消息传输协议 ,可以用极少的代码和带宽为联网设备提供实时可靠的消息服务,它广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等行业。

本文主要介绍如何在 Rust 项目中使用 paho-mqtt 客户端库 ,实现客户端与 MQTT 服务器的连接、订阅、取消订阅、收发消息等功能。

项目初始化

本项目使用 Rust 1.44.0 进行开发测试,并使用 Cargo 1.44.0 包管理工具进行项目管理,读者可用如下命令查看当前的 Rust 版本。

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~ rustc --version
rustc 1.44.0 (49cae5576 2020-06-01)

选择 MQTT 客户端库

paho-mqtt 是目前 Rust 中,功能完善且使用较多的 MQTT 客户端,最新的 0.7.1 版本支持 MQTT v5、3.1.1、3.1,支持通过标准 TCP、SSL / TLS、WebSockets 传输数据,QoS 支持 0、1、2 等。

初始化项目

执行以下命令创建名为 mqtt-example 的 Rust 新项目。

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~ cargo new mqtt-example
Created binary (application) `mqtt-example` package

编辑项目中的 Cargo.toml 文件,在 dependencies 中添加 paho-mqtt 库的地址,以及指定订阅、发布代码文件对应的二进制文件。

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[dependencies]
paho-mqtt = { git = "https://github.com/eclipse/paho.mqtt.rust.git", branch = "master" }

[[bin]]
name = "sub"
path = "src/sub/main.rs"

[[bin]]
name = "pub"
path = "src/pub/main.rs"

Rust MQTT 的使用

创建客户端连接

本文将使用 EMQX 提供的 免费公共 MQTT 服务器 作为测试连接的 MQTT 服务器,该服务基于 EMQX 的 MQTT 物联网云平台 创建。服务器接入信息如下:

  • Broker: broker.emqx.io
  • TCP Port: 1883
  • Websocket Port: 8083

配置 MQTT Broker 连接参数

配置 MQTT Broker 连接地址(包括端口)、topic (这里我们配置了两个 topic ),以及客户端 id。

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const DFLT_BROKER:&str = "tcp://broker.emqx.io:1883";
const DFLT_CLIENT:&str = "rust_publish";
const DFLT_TOPICS:&[&str] = &["rust/mqtt", "rust/test"];

编写 MQTT 连接代码

编写 MQTT 连接代码,为了提升使用体验,可在执行二进制文件时通过命令行参数的形式传入连接地址。通常我们需要先创建一个客户端,然后将该客户端连接到 broker.emqx.io

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let host = env::args().nth(1).unwrap_or_else(||
DFLT_BROKER.to_string()
);

// Define the set of options for the create.
// Use an ID for a persistent session.
let create_opts = mqtt::CreateOptionsBuilder::new()
.server_uri(host)
.client_id(DFLT_CLIENT.to_string())
.finalize();

// Create a client.
let cli = mqtt::Client::new(create_opts).unwrap_or_else(|err| {
println!("Error creating the client: {:?}", err);
process::exit(1);
});

// Define the set of options for the connection.
let conn_opts = mqtt::ConnectOptionsBuilder::new()
.keep_alive_interval(Duration::from_secs(20))
.clean_session(true)
.finalize();

// Connect and wait for it to complete or fail.
if let Err(e) = cli.connect(conn_opts) {
println!("Unable to connect:\n\t{:?}", e);
process::exit(1);
}

发布消息

这里我们总共发布五条消息,根据循环的奇偶性,分别向 rust/mqttrust/test 这两个主题发布。

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for num in 0..5 {
let content = "Hello world! ".to_string() + &num.to_string();
let mut msg = mqtt::Message::new(DFLT_TOPICS[0], content.clone(), QOS);
if num % 2 == 0 {
println!("Publishing messages on the {:?} topic", DFLT_TOPICS[1]);
msg = mqtt::Message::new(DFLT_TOPICS[1], content.clone(), QOS);
} else {
println!("Publishing messages on the {:?} topic", DFLT_TOPICS[0]);
}
let tok = cli.publish(msg);

if let Err(e) = tok {
println!("Error sending message: {:?}", e);
break;
}
}

订阅消息

在客户端连接之前,需要先初始化消费者。这里我们会循环处理消费者中的消息队列,并打印出订阅的 topic 名称及接收到的消息内容。

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fn subscribe_topics(cli: &mqtt::Client) {
if let Err(e) = cli.subscribe_many(DFLT_TOPICS, DFLT_QOS) {
println!("Error subscribes topics: {:?}", e);
process::exit(1);
}
}

fn main() {
...
// Initialize the consumer before connecting.
let rx = cli.start_consuming();
...
// Subscribe topics.
subscribe_topics(&cli);

println!("Processing requests...");
for msg in rx.iter() {
if let Some(msg) = msg {
println!("{}", msg);
}
else if !cli.is_connected() {
if try_reconnect(&cli) {
println!("Resubscribe topics...");
subscribe_topics(&cli);
} else {
break;
}
}
}
...
}

完整代码

消息发布代码

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use std::{
env,
process,
time::Duration
};

extern crate paho_mqtt as mqtt;

const DFLT_BROKER:&str = "tcp://broker.emqx.io:1883";
const DFLT_CLIENT:&str = "rust_publish";
const DFLT_TOPICS:&[&str] = &["rust/mqtt", "rust/test"];
// Define the qos.
const QOS:i32 = 1;

fn main() {
let host = env::args().nth(1).unwrap_or_else(||
DFLT_BROKER.to_string()
);

// Define the set of options for the create.
// Use an ID for a persistent session.
let create_opts = mqtt::CreateOptionsBuilder::new()
.server_uri(host)
.client_id(DFLT_CLIENT.to_string())
.finalize();

// Create a client.
let cli = mqtt::Client::new(create_opts).unwrap_or_else(|err| {
println!("Error creating the client: {:?}", err);
process::exit(1);
});

// Define the set of options for the connection.
let conn_opts = mqtt::ConnectOptionsBuilder::new()
.keep_alive_interval(Duration::from_secs(20))
.clean_session(true)
.finalize();

// Connect and wait for it to complete or fail.
if let Err(e) = cli.connect(conn_opts) {
println!("Unable to connect:\n\t{:?}", e);
process::exit(1);
}

// Create a message and publish it.
// Publish message to 'test' and 'hello' topics.
for num in 0..5 {
let content = "Hello world! ".to_string() + &num.to_string();
let mut msg = mqtt::Message::new(DFLT_TOPICS[0], content.clone(), QOS);
if num % 2 == 0 {
println!("Publishing messages on the {:?} topic", DFLT_TOPICS[1]);
msg = mqtt::Message::new(DFLT_TOPICS[1], content.clone(), QOS);
} else {
println!("Publishing messages on the {:?} topic", DFLT_TOPICS[0]);
}
let tok = cli.publish(msg);

if let Err(e) = tok {
println!("Error sending message: {:?}", e);
break;
}
}


// Disconnect from the broker.
let tok = cli.disconnect(None);
println!("Disconnect from the broker");
tok.unwrap();
}

消息订阅代码

为了提升使用体验,消息订阅做了断开重连的处理,并在重新建立连接后对主题进行重新订阅。

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use std::{
env,
process,
thread,
time::Duration
};

extern crate paho_mqtt as mqtt;

const DFLT_BROKER:&str = "tcp://broker.emqx.io:1883";
const DFLT_CLIENT:&str = "rust_subscribe";
const DFLT_TOPICS:&[&str] = &["rust/mqtt", "rust/test"];
// The qos list that match topics above.
const DFLT_QOS:&[i32] = &[0, 1];

// Reconnect to the broker when connection is lost.
fn try_reconnect(cli: &mqtt::Client) -> bool
{
println!("Connection lost. Waiting to retry connection");
for _ in 0..12 {
thread::sleep(Duration::from_millis(5000));
if cli.reconnect().is_ok() {
println!("Successfully reconnected");
return true;
}
}
println!("Unable to reconnect after several attempts.");
false
}

// Subscribes to multiple topics.
fn subscribe_topics(cli: &mqtt::Client) {
if let Err(e) = cli.subscribe_many(DFLT_TOPICS, DFLT_QOS) {
println!("Error subscribes topics: {:?}", e);
process::exit(1);
}
}

fn main() {
let host = env::args().nth(1).unwrap_or_else(||
DFLT_BROKER.to_string()
);

// Define the set of options for the create.
// Use an ID for a persistent session.
let create_opts = mqtt::CreateOptionsBuilder::new()
.server_uri(host)
.client_id(DFLT_CLIENT.to_string())
.finalize();

// Create a client.
let mut cli = mqtt::Client::new(create_opts).unwrap_or_else(|err| {
println!("Error creating the client: {:?}", err);
process::exit(1);
});

// Initialize the consumer before connecting.
let rx = cli.start_consuming();

// Define the set of options for the connection.
let lwt = mqtt::MessageBuilder::new()
.topic("test")
.payload("Consumer lost connection")
.finalize();
let conn_opts = mqtt::ConnectOptionsBuilder::new()
.keep_alive_interval(Duration::from_secs(20))
.clean_session(false)
.will_message(lwt)
.finalize();

// Connect and wait for it to complete or fail.
if let Err(e) = cli.connect(conn_opts) {
println!("Unable to connect:\n\t{:?}", e);
process::exit(1);
}

// Subscribe topics.
subscribe_topics(&cli);

println!("Processing requests...");
for msg in rx.iter() {
if let Some(msg) = msg {
println!("{}", msg);
}
else if !cli.is_connected() {
if try_reconnect(&cli) {
println!("Resubscribe topics...");
subscribe_topics(&cli);
} else {
break;
}
}
}

// If still connected, then disconnect now.
if cli.is_connected() {
println!("Disconnecting");
cli.unsubscribe_many(DFLT_TOPICS).unwrap();
cli.disconnect(None).unwrap();
}
println!("Exiting");
}

运行与测试

编译二进制文件

执行以下命令,会在 mqtt-example/target/debug 目录下生成消息订阅、发布对应的 subpub 二进制文件。

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cargo build

rustmqttbin.png

消息订阅

执行 sub 二进制文件,等待消费发布。

rustmqttsub1.png

消息发布

执行 pub 二进制文件,可以看到分别往 rust/testrust/mqtt 这两个主题发布了消息。

rustmqttpub.png 同时在消息订阅中可看到发布的消息

rustmqttsub2.png

至此,我们完成了使用 paho-mqtt 客户端连接到 公共 MQTT 服务器,并实现了测试客户端与 MQTT 服务器的连接、消息发布和订阅。