進程之間通信方式之消息總線
- 一、Linux 系統中的進程之間通信(IPC)
- 二、基于 Socket 通信的優點
- 三、MQTT 消息總線
- 四、嵌入式系統中如何利用 MQTT 消息總線
- 五、Mosquitto: 一個簡單的測試代碼
- 六、總結
- 七、資源下載
一、Linux 系統中的進程之間通信(IPC)
作為一名嵌入式軟件開發人員來說，處理進程之間的通信是很常見的事情。從通信目的的角度來看，我們可以把進程之間的通信分成 3 種：
- 為了進程的調度: 可以通過信號來實現;
- 為了共享資源：可以通過互斥鎖、信號量、讀寫鎖、文件鎖等來實現;
- 為了傳遞數據：可以通過共享內存、命名管道、消息隊列、Socket來實現。
關于上面提到的這些、操作系統為我們提供的通信原語，網絡上的各種資料、文章滿天飛，在這里就不啰嗦了。在這些方法中應該如何選擇呢?根據我個人的經驗，貴精不貴多，認真挑選三四樣東西就能完全滿足日常的工作需要。
我們今天想討論的問題主要是第 3 個：傳遞數據，在上面這幾種傳遞數據的方法中，我最喜歡、最常用的就是 Socket 通信。
有些小伙伴可能會說：Socket 通信就是 TCP/IP 的那一套東西，還需要自己管理連接、對數據進行組包、分包，也是挺麻煩的。
沒錯，Socket 通信本身的確需要手動來處理這些底層的東西，但是我們可以給 Socket 穿上一層“外衣”：利用 MQTT 消息總線，在系統的各進程之間進行數據交互，下面我們就一一道來。
二、基于 Socket 通信的優點
這里我就不自己發揮了，直接引用陳碩老師的那本書《Linux 多線程服務端編程》這本書中的觀點(第 65 頁，3.4小節)：
1. 跨主機，具有伸縮性
反正都是多進程了，如果一臺機器的處理能力不夠，就能用多臺主機來處理。把進程分散到同一臺局域網的多臺機器上，程序改改 Host:Port 配置就能繼續用。相反，文章開頭部分列出的那些進程之間通信方式都不能跨機器，這就限制了可擴展性。
2. 操作系統會自動回收資源
TCP port 由一個進程獨占，當程序意外退出時，操作系統會自動回收資源，不會給系統留下垃圾，程序重啟之后能比較容易地恢復。
3. 可記錄、可重現
兩個進程通過 TCP 通信，如果一個崩潰了，操作系統會關閉連接，另一個進程幾乎立刻就能感受到，可以快速 failover。當然應用層的心跳是必不可少的。(補充：操作系統本身對于 TCP 連接有一個保活時間，默認是 2 個小時，而且是針對全局的。)
4. 跨語言
服務端和客戶端不必使用同一種編程語言。
1. 陳碩老師描述的是通用的 Socket 通信，因此客戶端和服務端一般位于不同的物理機器上。
2. 在嵌入式開發中，一般都是用同一種編程語言，因此，跨語言這個有點可以忽略不計了。
三、MQTT 消息總線
1. MQTT 是一個通信的機制
對物聯網領域熟悉的小伙伴，對于 MQTT 消息總線一定非常熟悉，目前幾大物聯網云平臺(亞馬孫、阿里云、華為云)都提供了 MQTT 協議的接入方式。
目前，學習 MQTT 最好的文檔是 IBM 的在線手冊：https://developer.ibm.com/zh/technologies/messaging/articles/iot-mqtt-why-good-for-iot/。
這里，我直接把一些重點信息列出來：
- MQTT協議輕量、簡單、開放和易于實現;
- MQTT 是基于發布 (Publish)/訂閱 (Subscribe)范式的消息協議;
- MQTT 工作在 TCP/IP協議族上;
- 有三種消息發布服務質量;
- 小型傳輸，開銷很小(固定長度的頭部是 2 字節)，協議交換最小化，以降低網絡流量;
MQTT 消息傳輸需要一個中間件，稱為：Broker，其實也就是一個 Server。通信模型如下：
- MQTT Broker 需要首先啟動;
- ClientA 和 ClientB 需要連接到 Broker;
- ClientA 訂閱主題 topic_1，ClientB 訂閱主題 topic_2;
- ClientA 往 topic_2 這個主題發送消息，就會被 ClientB 接收到;
- ClientB 往 topic_1 這個主題發送消息，就會被 ClientA 接收到;
基于 topic 主題的通信方式有一個很大的好處就是解耦，一個客戶端可以訂閱多個 topic，任何接入到總線的其他客戶端都可以往這些 topic 中發送信息(一個客戶端發送消息給自己也是可以的)。
2. MQTT 的實現
MQTT 只是一個協議而已，在 IBM 的在線文檔中可以看到，有很多語言都實現了 MQTT 協議，包括：C/C++、Java、Python、C#、JavaScript、Go、Objective-C等等。那么對于嵌入式開發來說，使用比較多的是這幾個實現：
- Mosquitto;
- Paho MQTT;
- wolfMQTT;
- MQTTRoute。
在下面，我們會重點介紹 Mosquitto 這個開源實現的編譯和使用方式，這也是我在項目中使用最多的。
3. 在 MQTT 之上，設計自己的通信協議
從上面的描述中可以看出，MQTT 消息總線就是一個通信機制，為通信主體提供了一個傳遞數據的通道而已。
在這個通道之上，我們可以根據實際項目的需要，發送任何格式、編碼的數據。在項目中，我們最常用的就是 json 格式的純文本，這也是各家物聯網云平臺所推薦的方式。如果在文本數據中需要包含二進制數據，那就轉成 BASE64 編碼之后再發送。
四、嵌入式系統中如何利用 MQTT 消息總線
從上面的描述中可以看到，只要在服務端運行著一個 MQTT Broker 服務，每個連接到總線的客戶端都可以靈活地相互收發數據。
我們可以把這個機制應用在嵌入式應用程序的設計中：MQTT Broker 作為一個獨立的服務運行在嵌入式系統本地，其他需要交互的進程，只要連接到本地的這個 Broker，就可以相互發送數據了。運行模型如下：
每一個進程只需要訂閱一個固定的 topic(比如：自己的 client Id)，那么其他進程如果想要發送數據給它，就直接發送到這個 topic 即可。
1. 一個嵌入式系統的通信框架
我之前開發過一個環境監測系統，采集大氣中的 PM2.5、PM10等污染物參數，在 Contex A8 平臺下開發，需要實現數據記錄(數據庫)、UI 監控界面等功能。
污染物的數據采樣硬件模塊是第三方公司提供的，我們只需要通過該模塊提供的串口協議去控制采樣設備、接收采樣數據即可。最終設計的通信模型如下：
- UI 進程通過消息總線，發送控制指令給采樣控制進程，采樣控制進程接收到后通過串口發送控制指令給采樣模塊;
- 采樣控制進程從串口接收采樣模塊發來的PM2.5等數據后，把所有的數據發送到消息總線上指定的 topic 中;
- UI 進程程訂閱該 topic，接收到數據后，顯示在屏幕上;
- 數據庫進程也訂閱該 topic，接收到數據后，把數據存儲在 SQLite 數據庫中;
在這個產品中，核心進程是采樣控制進程，負責與采樣模塊的交互。通過把 UI 處理、數據庫處理設計成獨立的進程，降低了系統的復雜性，即使這 2 個進程崩潰了，也不會影響到核心的采樣控制進程。
比如：如果 UI 進程出現錯誤崩潰了，會立刻重啟，啟動之后通過緩存信息知道此刻正在執行采樣工作，于是 UI 進程立刻連接到消息總線、進入采樣數據顯示界面，繼續接收、顯示采樣控制進程發出的PM2.5等數據。
這個通信模型還有另外一個有點：可擴展性。
在項目開發的后期，甲方說需要集成一個第三方的氣體模塊，用來采集大氣中NO、SO2等參數，通信方式是 RS485。
此時擴展這個功能模塊就異常簡單了，直接寫一個獨立的氣體參數進程，接入到消息總線上。這個進程通過 RS485，從第三方氣體模塊接收到NO、SO2等氣體參數時，直接往消息總線上的某個 topic 一丟，UI進程、數據庫進程訂閱這個 topic，就可以立刻接收到氣體相關的數據了。
此外，這個設計模型還有其他一些優點：
- 并行開發：每個進程可以由不同的人員并行開發，只要相互之間定義好通信協議即可;
- 調試方便：由于發送的數據都是 manual readable，在開發階段，可以在 PC 機上專門寫一個監控程序，接入到嵌入式系統中的 MQTT Broker 之后，這樣就可以接收到所有進程發出的消息;
- 通信安全：在產品 release 之后，為了防止其他人偷聽數據(比如 2 中的調試進程)，可以為 MQTT Broker 指定一個配置文件，只能允許本地進程(127.0.0.1)連接到消息總線上。
2. 稍微復雜一點的通信模型
在剛才描述的嵌入式系框架設計中，每一個進程都是運行在本地的，所有的消息也都是在系統內進行收發。那么，如果需要把數據傳輸到云端、或者需要從云端接收一些控制指令，又該如何設計呢?
加入一個 MQTT Bridge 橋接模塊即可!也就是再增加一個進程，這個進程同時連接到云端的 MQTT Broker 和本地的 MQTT Broker，通信模型如下：
MQTT Bridge 接收到云端發來的指令時，轉發到本地的消息總線上;
MQTT Bridge 接收到本地的消息時，轉發到云端的消息總線上。
五、Mosquitto: 一個簡單的測試代碼
上面的內容主要討論的是設計的思想，具體到代碼層面，我一般使用的是 Mosquitto 這個開源的實現。
在 Linux 系統中安裝、測試都非常方便，下面就簡單說明一下。
1. 直接通過 apt 來安裝、測試
可以參考這個文檔(https://www.Vultr.com/docs/how-to-install-mosquitto-mqtt-broker-server-on-ubuntu-16-04)來安裝測試。
(1) 安裝
- sudo apt-add-repository ppa:mosquitto-dev/mosquitto-ppa
- sudo apt-get update
- sudo apt-get install mosquitto
- sudo apt-get install mosquitto-clients
(2) 測試
mosquitto broker 在安裝之后會自動啟動，可以用 netstat 查看 1883 端口來確認一下。
接收端：連接到 broker 之后，訂閱 "test" 這個 topic。
- mosquitto_sub -t "test"
發送端：連接到 broker 之后，往 "test" 這個 topic 發送字符串 “hello”。
- mosquitto_pub -m "hello" -t "test"
當發送端執行 mosquitto_pub 時，在接收端的終端窗口中，就可以接收到 “hello” 這個字符串。
2. 通過源碼來手動編譯、測試
通過 apt 來安裝主要是用來簡單的學習和測試，如果要在項目開發中使用 Mosquitto，肯定需要手動編譯，得到頭文件和庫文件，然后復制到應用程序中使用。
(1) 手動編譯、安裝 Mosquitto
我的開發環境是：
編譯器：gcc (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.12) 5.4.0 20160609
- Mosquitto 版本：mosquitto-1.4.9
- mosquitto-1.4.9 可以到官方網站下載，也可以從文末的網盤中下載，你也可以嘗試更高的版本。
編譯、安裝指令：
- make
- make install prefix=$PWD/install
成功安裝之后，可以在當前目錄的 install 文件夾下看到輸出文件：
- bin：mqtt 客戶端程序;
- include：應用程序需要 include 的頭文件;
- lib：應用程序需要鏈接的庫文件;
- sbin：mqtt broker 服務程序。
在編譯過程中，如果遇到一些諸如：ares.h、uuid.h 等依賴文件找不到的錯誤，只需要通過 apt 指令安裝響應的開發包即可。
(2) 最簡單的 mosquitto 客戶端代碼
在 mosquitto 源碼中，提供了豐富的 Sample 示例。如果你不樂意去探索，可以直接下載文末的這個網盤中的 Demo 示例程序，這個程序連接到消息總線上之后，訂閱 “topic_01” 這個主題。當然，你也可以修改代碼去發送消息(調用：mosquitto_publish 這個函數)。
進入 c_mqtt 示例代碼目錄之后，可以看到已經包含了 bin、include 和 lib 目錄，它們就是從上面(1)中安裝目錄 install 中復制過來的。
執行 make 指令之后，即可編譯成功，得到可執行文件：mqtt_client。
測試過程如下：
Step1: 啟動 MQTT Broker
在第 1 個終端窗口中，啟動 sbin/mosquitto 這個 Broker 程序。如果你在上面測試中已經啟動了一個 broker，需要先 kill 掉之前的那個 broker，因為它們默認都使用 1883 這個端口，無法共存。
Step2: 啟動接收端程序 mqtt_client
在第 2 個終端窗口中，啟動 mqtt_client 也就是我們的示例代碼編譯得到的可執行程序，它訂閱的 topic 是 “topic_01”。
- ./mqtt_client 127.0.0.1 1883
- 參數 1: Broker 服務的 IP 地址，因為都是在本地系統中，所以是 127.0.0.1;
- 參數 2: 端口號，一般默認是1883。
Step3: 啟動發送端程序 bin/mosquitto_pub
在第 3 個終端窗口中，啟動 bin/mosquitto_pub，命令如下：
- ./mosquitto_pub -h 127.0.0.1 -p 1883 -m "hello123" -t "topic_01"
- 參數 -h：Broker 服務的 IP 地址，因為都是在本地系統中，所以是 127.0.0.1;參數 -p：端口號 1883;
- 參數 -m：發送的消息內容;
- 參數 -t：發送的主題 topic。
此時，可以在第 2 個終端窗口(mqtt_client)中打印出接收到的消息。
六、總結
這篇文章主要介紹了嵌入式系統中的一個設計模式：通過消息總線來實現進程之間的通信，并介紹了 Mosquitto 這個開源實現。
在實際的項目中，還需要更加嚴格的權限控制，比如：在接入消息總線時提供用戶名、密碼、設備證書，客戶端的名稱必須滿足指定的格式，訂閱的 topic 必須符合一定的格式等等。
在下一篇文章中，我們繼續討論這個話題，給出一個更具體、更實用的 Demo 例程。
七、資源下載
1. mosquitto-1.4.9.tgz
鏈接:https://pan.baidu.com/s/1izQ3dAlGbHiHwDvKnOSfyg
密碼:dozt
2. Mosquitto Demo 示例代碼
鏈接:https://pan.baidu.com/s/1M-dU3xapNbKyk2w07MtDyw
密碼:aup3
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