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本書是一部從技術(shù)原理、工程實踐、設計模式和最佳實踐等多個維度詳細講解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和產(chǎn)品開發(fā)的著作。它涵蓋物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)80%的場景，能指導讀者零基礎的讀者從0到1構(gòu)建一個功能齊備的物聯(lián)網(wǎng)平臺，并附有代碼和解釋。本書既有作者在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)多年實操經(jīng)驗的總結(jié)，也結(jié)合了作者在高校的多年教學實踐經(jīng)驗，是一本既適合高校學生、物聯(lián)網(wǎng)初學者，也適合有經(jīng)驗的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者和架構(gòu)師閱讀的佳作。
本書第1版是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的暢銷書，幾乎零差評。第2版新增了全面解析MQTT 5.0協(xié)議特性的內(nèi)容，同時，為了適配EMQX最新版本，對書中的相關(guān)代碼和配置均進行了更新。
全書共14章，分為三大部分：
第一部分（第1~2章）物聯(lián)網(wǎng)基礎
介紹物聯(lián)網(wǎng)基礎知識，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)的概念和常用協(xié)議。
第二部分（第3~6章）MQTT協(xié)議詳解與實戰(zhàn)
詳細講解MQTT協(xié)議，通過詳盡的示例代碼對物聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議MQTT協(xié)議的規(guī)范和特性進行講解。內(nèi)容包括MQTT 3.1.1和MQTT 5.0。
第三部分（第7~14章）實戰(zhàn)：從零開始搭建一個IoT平臺
物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)實戰(zhàn)，講解如何使用開源組件從0到1構(gòu)建一個功能完備的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

Preface　前　　言
為什么要寫這本書
2011年我在硅谷的時候，曾經(jīng)參與設計和開發(fā)了一個物聯(lián)網(wǎng)平臺。這個平臺的目的是為各種物聯(lián)網(wǎng)設備提供統(tǒng)一的通信接口，以及提供數(shù)據(jù)存儲和分析功能，降低物聯(lián)網(wǎng)設備商的開發(fā)和運營成本。不過，由于物聯(lián)網(wǎng)設備的異構(gòu)性太強，同時平臺的愿景過于超前，而當時物聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展包括資本的投入都遠不及現(xiàn)在，這個項目不得不半路中止。
2015年，我在國內(nèi)和朋友聯(lián)合創(chuàng)辦了一家物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的公司。為了支持公司的硬件產(chǎn)品，我們開發(fā)了一個提供統(tǒng)一通信和數(shù)據(jù)服務的物聯(lián)網(wǎng)平臺，不過吸取了之前的教訓，這個平臺只對同一組織（公司）里的多個產(chǎn)品提供支持。當時各大云服務商，比如阿里云，提供了非常成熟的物聯(lián)網(wǎng)套件，我們將這些物聯(lián)網(wǎng)套件中的一些功能移植到了自研的物聯(lián)網(wǎng)平臺上。這個平臺從技術(shù)層面很好地支持了公司從0到1、從1到N持續(xù)盈利的全流程。
在這個過程中我遇到過一些問題，也總結(jié)出一些非常有用的經(jīng)驗。在此期間，我也加入了一些物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者的社區(qū)。在日常的技術(shù)交流里，我發(fā)現(xiàn)一些開發(fā)人員對常用的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的理解是有問題的，對一些功能應該在協(xié)議層面實現(xiàn)還是在業(yè)務層面實現(xiàn)不是很清楚。我曾在互聯(lián)網(wǎng)上搜索過相關(guān)的技術(shù)文章，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性講解協(xié)議的規(guī)范和特性的文章非常少，不是只對一兩個功能進行介紹，就是只翻譯協(xié)議規(guī)范，缺乏代碼示例。
在這種情況下，我在GitChat的專欄寫了我的第一篇文章《MQTT協(xié)議快速入門》，詳細地講解了物聯(lián)網(wǎng)應用中最常見的MQTT協(xié)議的規(guī)范和特性，并對每一個特性附以豐富的代碼示例。
加入專欄文章的讀者交流群后，我又發(fā)現(xiàn)讀者還有很多關(guān)于設計、業(yè)務架構(gòu)的疑問，深入理解MQTT協(xié)議并不能解決這些問題。這讓我意識到，物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)并不像Web開發(fā)那樣有成熟的設計模式和框架可以使用，開發(fā)者往往都是從協(xié)議級別開始往上搭，重復地造輪子。
因此，我覺得有必要把我們在開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)平臺中遇到的困難和總結(jié)的經(jīng)驗分享出來，從協(xié)議開始講起，再覆蓋物聯(lián)網(wǎng)后臺開發(fā)中常見的設計模式和最佳實踐，讓其他的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者少走一些彎路，少造一些輪子，進而更快速、更高效地上線自己的產(chǎn)品。
讀者對象
物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)人員
物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)師
物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)人員
對物聯(lián)網(wǎng)感興趣的開發(fā)人員
有一定經(jīng)驗的IM平臺、移動推送平臺開發(fā)人員
渴望學習更多物聯(lián)網(wǎng)實際開發(fā)經(jīng)驗的人員
如何閱讀本書
本書涵蓋物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)80%的場景，理論和實戰(zhàn)并重。本書內(nèi)容分為三大部分。
第一部分（第1～2章）為物聯(lián)網(wǎng)基礎知識介紹，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)的概念和常用協(xié)議。
第二部分（第3～6章）為MQTT協(xié)議詳解，通過詳盡的示例代碼對MQTT 3.1.1和MQTT 5.0協(xié)議的規(guī)范和特性進行講解。
第三部分（第7～14章）為物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)實戰(zhàn)，從零開始用開源的組件搭建一個名為Maque IotHub的物聯(lián)網(wǎng)平臺，在這個過程中講解物聯(lián)網(wǎng)后臺開發(fā)中常見的設計模式和最佳
實踐。
本書最后補充有結(jié)語與附錄。結(jié)語總結(jié)了本書講到的相關(guān)系統(tǒng)與知識體系，附錄介紹了運行Maque IotHub的方法和步驟。
如果你對MQTT協(xié)議已經(jīng)非常了解，可以直接從第三部分開始看起，第二部分可作為協(xié)議規(guī)范參考指南。
如果你是一名初學者，請務必從第1章的基礎知識開始學習。
勘誤和支持
由于作者的水平有限，書中難免會出現(xiàn)一些錯誤或者不準確的地方，懇請讀者批評指正。
書中大量的實例代碼都可以從我的GitHub站點（https://github.com/suf?ish）下載。你也可以關(guān)注我在GitChat的專欄（https://gitbook.cn/gitchat/author/59ed8409991df70ecd5a0f8f），并加入專欄讀者群進行交流。如果你有更多的寶貴意見，也歡迎發(fā)郵件到y(tǒng)fc@hz.cmpbook.com。期待能夠得到你們的真摯反饋。
致謝
首先要感謝EMQX的開發(fā)者和貢獻者，開發(fā)和維護一款強大的開源MQTT Broker非常
不易。
感謝GitChat提供平臺并促成了本書的出版。
感謝在寫作過程中很多人的支持與幫助，他們是：趙華振、李斌鋒、鄧斌、戚祥、于偉、皮文星、陳育春、陸正武、虞曉東、張恒汝、高喆、劉威、劉冉、付志濤、宗杰、王大平、李振捷、李波、張鵬、管西京、閆芳、王玉芹、王秀明、楊振珂。　　　　
感謝公司的全體同人，大家的共同努力才給我提供了一個能夠?qū)嵺`自己想法的機會。
最后感謝關(guān)心我的家人，尤其是我的妻子和女兒，她們的支持是我完成本書的動力！
謹以此書獻給我最親愛的家人，以及廣大物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者！

付強

目　　錄　Contents
前言
第一部分　物聯(lián)網(wǎng)基礎
第1章　什么是物聯(lián)網(wǎng)　2
1.1　物聯(lián)網(wǎng)和人工智能　3
1.2　物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀與前景　4
第2章　常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議　6
2.1　MQTT協(xié)議　6
2.2　MQTT-SN協(xié)議　7
2.3　CoAP　8
2.4　LwM2M協(xié)議　9
2.5　HTTP　9
2.6　LoRaWAN協(xié)議　9
2.7　NB-IoT協(xié)議　10
2.8　本章小結(jié)　10
第二部分　MQTT協(xié)議詳解與實戰(zhàn)
第3章　MQTT協(xié)議基礎　13
3.1　MQTT協(xié)議的通信模型　13
3.2　MQTT的不同版本　 14
3.3　MQTT Client　14
3.4　MQTT Broker　16
3.5　MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)包格式　17
3.6　本章小結(jié)　19
第4章　MQTT 3.1.1協(xié)議詳解　20
4.1　建立到Broker的連接　20
4.1.1　CONNECT數(shù)據(jù)包　20
4.1.2　CONNACK數(shù)據(jù)包　23
4.1.3　關(guān)閉連接　25
4.1.4　代碼實踐　26
4.2　訂閱與發(fā)布　29
4.2.1　PUBLISH數(shù)據(jù)包　30
4.2.2　代碼實踐：發(fā)布消息　32
4.2.3　訂閱一個主題　32
4.2.4　代碼實踐：訂閱主題　35
4.2.5　取消訂閱　37
4.3　QoS及其最佳實踐　40
4.3.1　MQTT協(xié)議中的QoS等級　40
4.3.2　QoS0　40
4.3.3　QoS1　41
4.3.4　QoS2　42
4.3.5　代碼實踐：使用不同的QoS
發(fā)布消息　45
4.3.6　實際的QoS　48
4.3.7　QoS的最佳實踐　48
4.4　Retained消息和LWT　49
4.4.1　Retained消息　49
4.4.2　代碼實踐：發(fā)布和接收
Retained消息　50
4.4.3　LWT　52
4.4.4　代碼實踐：監(jiān)控Client連接
狀態(tài)　52
4.5　Keep Alive與連接�；睢�54
4.5.1　Keep Alive　54
4.5.2　代碼實踐　56
4.5.3　連接�；睢�57
4.6　本章小結(jié)　59
第5章　MQTT 5.0協(xié)議詳解　60
5.1　協(xié)議包內(nèi)容擴展　60
5.1.1　屬性集　60
5.1.2　原因碼　60
5.2　更完善的連接管理　63
5.2.1　獲取MQTT Broker的連接
屬性　63
5.2.2　代碼實踐：建立MQTT 5.0
連接　65
5.2.3　Client主動斷開連接　65
5.2.4　代碼實踐：主動斷開連接，
觸發(fā)遺愿機制　66
5.2.5　Broker主動斷開連接　67
5.2.6　代碼實踐：處理客戶端標識符
沖突　67
5.3　更完善的會話管理　68
5.3.1　清理會話啟動　69
5.3.2　會話過期時間　69
5.3.3　代碼實踐：在CONNECT數(shù)據(jù)包
中設定會話過期時間　70
5.3.4　代碼實踐：在DISCONNECT
數(shù)據(jù)包中更新會話過期時間　70
5.4　新增消息過期機制　71
5.4.1　消息過期時間　71
5.4.2　代碼實踐：發(fā)布帶有過期
時間的消息　72
5.5　協(xié)議級別支持共享訂閱　73
5.5.1　如何使用共享訂閱　73
5.5.2　代碼實踐：使用共享訂閱　74
5.5.3　代碼實踐：使用帶通配符的
共享訂閱　75
5.5.4　代碼實踐：多個共享訂閱組　76
5.6　數(shù)據(jù)包可攜帶用戶屬性　77
5.6.1　為什么要引入用戶屬性　77
5.6.2　典型的使用場景　78
5.7　可聲明消息體格式　79
5.7.1　為什么要聲明消息體格式　79
5.7.2　如何聲明消息體格式　79
5.7.3　代碼實踐：發(fā)布帶有消息體
格式的消息　79
5.8　可設置主題別名　80
5.8.1　主題名映射　81
5.8.2　代碼實踐：使用主題別名　81
5.9　新增請求/響應模式　82
5.9.1　MQTT 5.0之前的解決方案　82
5.9.2　MQTT 5.0的解決方案　83
5.9.3　代碼實踐：使用請求/響應模式
進行數(shù)據(jù)交互　84
5.10　訂閱時可指定訂閱標識符　85
5.10.1　訂閱標識符　85
5.10.2　代碼實踐：使用訂閱標
識符　85
5.11　更完善的訂閱選項　86
5.11.1　QoS等級選項　87
5.11.2　非本地選項　87
5.11.3　保留Retain標識符選項　87
5.11.4　保留消息處理選項　87
5.11.5　代碼實踐：設置非本地
選項　87
5.11.6　代碼實踐：設置保留Retain
標識符選項　88
5.11.7　代碼實踐：設置保留消息
處理選項　89
5.12　更完善的認證機制　91
5.13　本章小結(jié)　92
第6章　MQTT協(xié)議實戰(zhàn)　93
6.1　AI IoT項目實戰(zhàn)　93
6.1.1　用TensorFlow在Android系統(tǒng)
上進行物體識別　93
6.1.2　如何在MQTT協(xié)議里傳輸大
文件　94
6.1.3　消息去重　95
6.1.4　最終的消息數(shù)據(jù)格式　95
6.1.5　代碼實踐：上傳識別結(jié)果　95
6.1.6　在瀏覽器中運行
MQTT Client　97
6.1.7　代碼實踐：接收識別結(jié)果　97
6.1.8　搭建私有MQTT Broker　98
6.1.9　傳輸層安全　100
6.2　MQTT常見問題解答　101
6.3　開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應用，學會MQTT
協(xié)議就夠了嗎　101
6.4　本章小結(jié)　103
第三部分　實戰(zhàn)：從零開始搭建
　一個IoT平臺
第7章　準備工作臺　107
7.1　安裝需要的組件　107
7.2　Maque IotHub的組成部分　108
7.3　項目結(jié)構(gòu)　109
7.3.1　IotHub Server　109
7.3.2　IotHub DeviceSDK　109
7.4　本章小結(jié)　111
第8章　設備生命周期管理　112
8.1　設備注冊　112
8.1.1　設備三元組　112
8.1.2　EMQX的認證方式　113
8.1.3　設備接入流程　117
8.1.4　Server API：設備注冊　118
8.1.5　調(diào)整EMQX配置　120
8.1.6　修改DeviceSDK　121
8.1.7　Server API：設備信息
查詢　122
8.1.8　Server API：獲取接入IotHub
的一次性密碼（JWT）　123
8.1.9　完善細節(jié)　125
8.2　設備連接狀態(tài)管理　127
8.2.1　Poor mans Solution　127
8.2.2　使用EMQX的解決方案　128
8.2.3　管理設備的連接狀態(tài)　132
8.3　設備的禁用與刪除　136
8.3.1　禁用設備　136
8.3.2　刪除設備　141
8.4　設備權(quán)限管理　142
8.4.1　為什么要控制Publish和
Subscribe權(quán)限　142
8.4.2　EMQX的ACL功能　142
8.4.3　集成EMQX的ACL功能　146
8.5　給IotHub加一點擴展性　148
8.5.1　EMQX的縱向擴展　148
8.5.2　EMQX的橫向擴展　149
8.6　本章小結(jié)　151
第9章　上行數(shù)據(jù)處理　152
9.1　選擇一個可擴展的方案　152
9.1.1　完全基于MQTT協(xié)議的方案　153
9.1.2　基于WebHook的方案　154
9.1.3　數(shù)據(jù)格式　155
9.1.4　主題名規(guī)劃　156
9.1.5　上行數(shù)據(jù)存儲　156
9.1.6　通知業(yè)務系統(tǒng)　157
9.1.7　上行數(shù)據(jù)查詢　157
9.1.8　上行數(shù)據(jù)處理流程　157
9.2　實現(xiàn)上行數(shù)據(jù)處理功能　158
9.2.1　DeviceSDK的功能實現(xiàn)　158
9.2.2　IotHub Server的功能實現(xiàn)　160
9.2.3　代碼聯(lián)調(diào)　162
9.2.4　通知業(yè)務系統(tǒng)　164
9.2.5　Server API歷史消息查詢　167
9.3　設備狀態(tài)上報　168
9.3.1　設備狀態(tài)　168
9.3.2　DeviceSDK的實現(xiàn)　169
9.3.3　IotHub Server 的實現(xiàn)　169
9.3.4　Server API：查詢設備狀態(tài)　171
9.3.5　代碼聯(lián)調(diào)　172
9.3.6　為何不用Retained消息　172
9.4　時序數(shù)據(jù)庫　173
9.4.1　時序數(shù)據(jù)　173
9.4.2　時序數(shù)據(jù)庫概述　174
9.4.3　收集設備連接狀態(tài)變化的
數(shù)據(jù)　174
9.5　本章小結(jié)　177
第10章　下行數(shù)據(jù)處理　178
10.1　選擇一個可擴展的方案　179
10.1.1　完全基于 MQTT協(xié)議的
方案　179
10.1.2　基于EMQX RESTful API的
方案　180
10.1.3　下行數(shù)據(jù)格式　180
10.1.4　主題名規(guī)劃　181
10.1.5　如何訂閱主題　182
10.1.6　設備端消息去重　182
10.1.7　指令回復　183
10.2　DeviceSDK端的實現(xiàn)　183
10.2.1　消息去重　183
10.2.2　提取元數(shù)據(jù)　184
10.2.3　處理指令　185
10.2.4　回復指令　186
10.3　服務端的實現(xiàn)　187
10.3.1　更新ACL 列表　187
10.3.2　EMQX發(fā)布功能　187
10.3.3　Server API：發(fā)送指令　188
10.3.4　Broker自動訂閱　189
10.3.5　通知業(yè)務系統(tǒng)　190
10.3.6　代碼聯(lián)調(diào)　192
10.4　本章小結(jié)　195
第11章　IotHub的高級功能　196
11.1　RPC式調(diào)用　196
11.1.1　主題規(guī)劃　197
11.1.2　等待指令回復　198
11.1.3　服務端實現(xiàn)　198
11.1.4　Server API：發(fā)送RPC指令　200
11.1.5　更新設備ACL列表　201
11.1.6　更新服務器訂閱列表　201
11.1.7　DeviceSDK端實現(xiàn)　202
11.1.8　代碼聯(lián)調(diào)　203
11.2　設備數(shù)據(jù)請求　204
11.2.1　更新設備ACL列表　205
11.2.2　服務端實現(xiàn)　206
11.2.3　DeviceSDK端實現(xiàn)　207
11.2.4　代碼聯(lián)調(diào)　207
11.3　NTP服務　209
11.3.1　IotHub 的 NTP 服務　209
11.3.2　DeviceSDK端實現(xiàn)　210
11.3.3　服務端實現(xiàn)　211
11.3.4　代碼聯(lián)調(diào)　212
11.4　設備分組　212
11.4.1　功能設計　213
11.4.2　服務端實現(xiàn)　215
11.4.3　DeviceSDK端實現(xiàn)　 218
11.4.4　代碼聯(lián)調(diào)　221
11.5　M2M設備間通信　223
11.5.1　主題名規(guī)劃　223
11.5.2　服務端實現(xiàn)　224
11.5.3　DeviceSDK端實現(xiàn)　225
11.5.4　代碼聯(lián)調(diào)　225
11.6　OTA升級　227
11.6.1　功能設計　227
11.6.2　服務端實現(xiàn)　229
11.6.3　DeviceSDK端實現(xiàn)　233
11.6.4　代碼聯(lián)調(diào)　235
11.7　設備影子　238
11.7.1　什么是設備影子　238
11.7.2　設備影子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　238
11.7.3　設備影子的數(shù)據(jù)流向　239
11.7.4　服務端實現(xiàn)　241
11.7.5　DeviceSDK端實現(xiàn)　246
11.7.6　代碼聯(lián)調(diào)　248
11.8　本章小結(jié)　250
第12章　擴展EMQX Broker　251
12.1　EMQX的插件系統(tǒng)　251
12.1.1　Erlang語言　252
12.1.2　安裝編譯工具　252
12.2　我們會用到的Erlang特性　253
12.2.1　Erlang簡介　253
12.2.2　變量和賦值　254
12.2.3　特殊的 Erlang 數(shù)據(jù)類型　255
12.2.4　模式匹配　255
12.2.5　模塊與函數(shù)　256
12.2.6　宏定義　257
12.2.7　OTP　257
12.3　搭建開發(fā)和編譯環(huán)境　257
12.3.1　使用插件模板　257
12.3.2　代碼結(jié)構(gòu)　257
12.3.3　編譯和打包　260
12.4　實現(xiàn)基于RabbitMQ的Hook
插件：emqx_rabbitmq?_?plugin　260
12.4.1　插件配置文件　260
12.4.2　建立RabbitMQ的連接池　261
12.4.3　處理client.connected事件　263
12.4.4　處理client.disconnected
事件　263
12.4.5　處理message.publish事件　264
12.5　使用emqx_rabbitmq?_?plugin
插件　265
12.5.1　安裝和啟用插件　265
12.5.2　測試插件　266
12.5.3　管理插件配置　267
12.5.4　集成emqx_rabbitmq?_?plugin
插件　268
12.5.5　IotHub 的全新架構(gòu)　269
12.6　本章小結(jié)　270
第13章　集成CoAP　271
13.1　CoAP簡介　271
13.1.1　CoAP的消息模型　272
13.1.2　CoAP的請求/響應機制　272
13.1.3　CoAP OBSERVE　273
13.1.4　CoAP HTTP網(wǎng)關(guān)　273
13.2　集成CoAP到IotHub　274
13.2.1　EMQX的CoAP網(wǎng)關(guān)　274
13.2.2　設備發(fā)起連接　277
13.2.3　設備上報數(shù)據(jù)　279
13.2.4　設備發(fā)送心跳　280
13.2.5　設備主動斷開連接　281
13.3　本章小結(jié)　282
第14章　使用其他語言擴展
　EMQX　283
14.1　EMQX的gRPC鉤子　283
14.2　gRPC簡介　284
14.3　基于EMQX的gRPC鉤子實現(xiàn)
插件功能　284
14.3.1　ExHook的服務定義　284
14.3.2　代碼結(jié)構(gòu)　286
14.3.3　OnProviderLoaded接口　287
14.3.4　OnClientConnected接口　288
14.3.5　OnClientDisconnected
接口　290
14.3.6　OnMessagePublish接口　290
14.4　啟用emqx_rabbitmq?_node_
plugin　293
14.5　本章小結(jié)　294
結(jié)語　我們學到了什么　295
附錄A　如何運行Maque IotHub　299

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