簡介
AWS IoT Core是什么?
先看下官方描述以及圖示，
- AWS IoT 提供將您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到其他設(shè)備和 AWS 云服務(wù)的云服務(wù)。
由上述可知，AWS IoT，Internet of Things，讓設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后，即可進行與云端服務(wù)的通信，實現(xiàn)設(shè)備與云端服務(wù)的通信，或設(shè)備與設(shè)備之間的通信。那么其實現(xiàn)是基于什么的呢？答案是MQTT協(xié)議。
為什么用MQTT?
包括AWS IoT Core，阿里云等各大廠商（【1分鐘速覽！ioT服務(wù)廠商】） 大體都是基于MQTT協(xié)議進行的IoT服務(wù)實現(xiàn)。
為什么這些廠商會選擇MQTT協(xié)議?（【Hello, ioT! 車企巨頭在ioT中的實踐】），
總結(jié)來講，有2點
- 質(zhì)量保障：MQTT協(xié)議中有明確的服務(wù)質(zhì)量定義，基于此實現(xiàn)的服務(wù)，可以讓不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸，變的更加可靠。
- 場景符合：基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)的IoT服務(wù)，不僅提供高可靠的通信服務(wù)，還有心跳機制、遺囑消息、離線消息和安全管理等功能，非常契合物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)回傳，指令下發(fā)的場景。
典型圖示
MQTT的基本模式是 發(fā)布/訂閱模式，如上圖，
- publish: 發(fā)布者指定消息發(fā)布的主題，將消息publish到MQTT Broker上(AWS等廠商提供的服務(wù))。
- subscrib: 訂閱者通過訂閱相應(yīng)的主題，向MQTT Broker注冊對該主題的訂閱，當(dāng)有新的消息發(fā)布到該主題時，MQTT Broker會將消息發(fā)送給所有訂閱了該主題的訂閱者。
重要概念
由于IoT服務(wù)是基于MQTT協(xié)議的，在開始演示示例之前，先介紹下MQTT里面一些重要概念，以及在AWS IoT Core里面的一些細節(jié)。
服務(wù)質(zhì)量保障QoS
MQTT設(shè)計了一套保證消息穩(wěn)定傳輸?shù)臋C制，包括消息應(yīng)答、存儲和重傳。
在這套機制下，提供了三種不同層次QoS（Quality of Service）：
- QoS0，At most once，至多一次；發(fā)送端只傳一次，不保證消息一定送達到接收端。
- QoS1，At least once，至少一次；發(fā)送端至少發(fā)一次，確保接收端收到。
- QoS2，Exactly once，確保只有一次；確保接收端收到且只收到一次。
注意很多服務(wù)廠商，包括AWS IoT Core都沒有支持QoS2。但是我們可以使用QoS1 ，然后在業(yè)務(wù)接收端接收的時候，通過業(yè)務(wù)id去重，實現(xiàn)冪等性，以此達到和QoS2相同的效果。
持久性會話 - Persistent Session
持久性會話存儲客戶端尚未確認的服務(wù)質(zhì)量（QoS）為 1 的客戶端的訂閱和消息，當(dāng)設(shè)備重新連接到持久性會話時，該會話恢復(fù)，訂閱恢復(fù)，并將在重新連接之前接收和存儲的未確認的訂閱消息發(fā)送到客戶端。
再繼續(xù)介紹之前，讓我們再仔細想下這個session有什么用 或者 怎么起作用的?
假設(shè)我們有個場景是 ，車上有數(shù)據(jù)需要傳給手機，但是手機因為網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，中間網(wǎng)絡(luò)斷了一會兒，恰好斷開到恢復(fù)之間，車上有數(shù)據(jù)發(fā)出。此時依靠持久性會話Persistent Session，手機網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)重新連接后，可收到剛剛斷網(wǎng)期間沒有收到的消息。
圖示 ：
上圖所示3個階段，
1，手機端以mqtt client身份(clientId - iphone01 )連到mqtt broker，產(chǎn)生一個persistent session。
2，手機端斷網(wǎng)，斷網(wǎng)期間，車上有數(shù)據(jù)傳回，先傳到mqtt broker的隊列里，但此時由于手機端斷網(wǎng)無法接收。
3，手機端網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，繼續(xù)以mqtt client(clientId - iphone01 )連到mqtt broker，此時broker會判斷persistent session是否還在，如果還在的話 (沒有過期 并且 客戶端重連時沒主動清除)，則可把剛剛沒傳到的消息，繼續(xù)推給 clientId - iphone01的設(shè)備。
由此，對于使用移動端網(wǎng)絡(luò)在室外不斷活動的情況，拿著手機移動，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，一會斷一會兒恢復(fù)，依靠persistent session，斷開這段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)并不會丟棄，先存在隊列里，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時，可在通過persistent session找到之前設(shè)備的訂閱情況，再進行推送。
相關(guān)的2個重要的相關(guān)參數(shù) ，
Clean Session
- 當(dāng)其為false時，表示創(chuàng)建一個持久會話，客戶端斷開連接后，broker仍會保持session(直到會話超時注銷)，如果在未過期時間內(nèi)，相同client id的設(shè)備再次上線，broker還是會將斷開時間內(nèi)的信息發(fā)給這個設(shè)備。
- 當(dāng)其為true時，代表相同client id的設(shè)備再次上線后，會主動和server說 ，重新創(chuàng)建一個session，這樣之前的session就會清空，這段時間內(nèi)尚未發(fā)給客戶端的消息也會直接清空，不再發(fā)給這個設(shè)備。
Session Expiry Interval
指定客戶端斷開后多久，服務(wù)端認為session過期。 如果設(shè)置為 0，則 session 會在 client 離線時被立刻刪除，最大可以設(shè)置為 UINT_MAX(4,294,967,295)。
注意： 除了上述MQTT協(xié)議的定義，實際各個廠商在實現(xiàn)上，超過限制數(shù)量的消息也將被刪除，畢竟存儲空間有成本，不能無限提供，以aws IoT core舉例，其一些具體規(guī)則如下，
根據(jù)賬戶限制存儲消息。超過限制的消息將被刪除。有關(guān)持久消息限制的更多信息，請參閱 AWS IoT Core 終端節(jié)點和配額。
當(dāng)客戶端重新連接到其持久性會話時，將恢復(fù)所有訂閱，并以每秒 10 條消息的最大速率將所有已存儲消息發(fā)送到客戶端。
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結(jié)束持久性會話
- 在 MQTT 3 中，持久性會話過期時間的默認值為一小時，此設(shè)置適用于賬戶中的所有會話。
- 在 MQTT 5 中，您可以為 CONNECT 和 DISCONNECT 數(shù)據(jù)包上的每個會話設(shè)置會話過期間隔。
主題 - Topic
自定義主題
MQTT中 ，數(shù)據(jù)傳遞都是通過pub/sub 不同主題topic進行的。使用者可以自定義主題topic，以此來進行數(shù)據(jù)傳遞。此外，在各個廠商實現(xiàn)的時候，會對預(yù)留一些特殊的topic。以下拿aws IoT core舉例，
aws 預(yù)設(shè)的主題
包括事件，規(guī)則等，以此來用于監(jiān)控 一些設(shè)備情況(訂閱情況等)。
還有些是為了aws IoT core上的其它功能比如任務(wù)， 影子等預(yù)留的主題，方便這些功能的使用和監(jiān)控。
具體：https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/iot/latest/developerguide/reserved-topics.html
保留消息
介紹：客戶端訂閱主題后，MQTT 保留消息會被發(fā)送給客戶端。如果希望所有訂閱主題的客戶端在訂閱后立即收到 MQTT 保留的消息，則可以發(fā)布設(shè)置了 RETAIN 標(biāo)志的配置消息。只要發(fā)布新的配置消息，訂閱客戶端也會收到該配置更新。
AWS IoT Core上的實踐：保存設(shè)置了 RETAIN 標(biāo)志的 MQTT 消息。這些 保留消息 被作為普通的 MQTT 消息發(fā)送給已訂閱該主題的所有客戶端，同時也被存儲起來發(fā)送給該主題的新訂閱者。
更新保留消息：每個主題名稱只保留一條消息。發(fā)布到主題的帶有 RETAIN 標(biāo)志設(shè)置的新消息將替換先前發(fā)送到該主題的任何現(xiàn)有保留消息。
典型示例：
作為初始配置消息
客戶端訂閱主題后，MQTT 保留消息會被發(fā)送給客戶端。如果您希望所有訂閱主題的客戶端在訂閱后立即收到 MQTT 保留的消息，則可以發(fā)布設(shè)置了 RETAIN 標(biāo)志的配置消息。只要發(fā)布新的配置消息，訂閱客戶端也會收到該配置更新。
作為狀態(tài)消息
設(shè)備可以在當(dāng)前狀態(tài)消息上設(shè)置 REATIN 標(biāo)志，以便 AWS IoT Core 保存它們。當(dāng)應(yīng)用程序連接或重新連接時，它們可以訂閱此主題，并在訂閱保留的消息主題后立即獲得上次報告的狀態(tài)。這樣，它們就不必等到設(shè)備發(fā)出下一條消息才能看到當(dāng)前狀態(tài)。
遺囑 Will , MQTT Last Will and Testament（LWT）消息
MQTT協(xié)議里這個概念，很形象的比喻 ，大意就是如果MQTT client意外斷開連接，掛了，broker會代替它發(fā)最后一條消息給訂閱者。
broker將存儲 Will 消息，直到出現(xiàn)斷開連接。發(fā)生這種情況時，broker將向所有訂閱 Will 主題的客戶端發(fā)布消息以通知斷開連接。如果客戶端使用 MQTT DISCONNECT 消息通過客戶端啟動的斷開連接來斷開與代理的連接，則代理不會發(fā)布存儲的 LWT 消息。在所有其它情況下，將分派 LWT 消息。
簡單總結(jié)一下：客戶端被動斷開時(意外)會發(fā)Will，客戶端主動斷開時 ，不會發(fā)Will。
共享訂閱
AWS IoT Core 支持 MQTT 3 和 MQTT 5 的共享訂閱。共享訂閱允許多個客戶端共享對某個主題的訂閱，并且只有一個客戶端會收到使用隨機分布發(fā)布到該主題的消息，從而實現(xiàn)負載均衡，可參考圖示：
共享訂閱流程
對比普通訂閱，非共享訂閱流程，圖示：
非共享訂閱流程
客戶端連接鑒權(quán)
AWS IoT支持3種，分別是 證書，IAM用戶角色，Amazon Cognito身份。這里大致總結(jié)下這三種的特點，
證書：
- 可以直接在AWS上生成 ，默認由AWS上的CA生成，也可以向AWS上注冊自己的證書頒發(fā)機構(gòu) (CA)，簽署自定義證書。
- 證書生成時選擇對應(yīng)的權(quán)限角色 。
- 證書有有效期。
IAM用戶角色：選擇權(quán)限角色后，會生成固定的access key和secret key，然后客戶端使用access key加secret key進行服務(wù)端的連接鑒權(quán)。
Amazon Cognito身份： 這個的靈活度就很大了，支持自定義賬戶密碼，或者還可以外接其他賬戶進行鑒權(quán)(例如 Login with Amazon、Facebook 和 Google)
演示
這里我們客戶端連接服務(wù)broker時，采用證書進行服務(wù)連接時的鑒權(quán)。
在AWS上生成一個物品(Thing)
1）進入到AWS IoT Core控制臺，創(chuàng)建一個物品，
這里先只填物品名稱即可，設(shè)備影子可以先不選，這個功能后續(xù)會單獨講解，此處不展開。
- 這里我們先選自動生成新證書，讓AWS幫我們生成證書。
3）添加策略到證書，也就是賦予這個證書什么樣的權(quán)限，從而讓使用這個證書的設(shè)備端獲得什么樣的權(quán)限，這里如果沒有策略可以先創(chuàng)建一個策略。
進入到創(chuàng)建策略頁面后，可以細分權(quán)限， 比如發(fā)布端只賦予發(fā)布權(quán)限，接收端只賦予接收權(quán)限，如果不嚴(yán)格或者測試使用，可以直接選*全部。
使用創(chuàng)建好的策略 ，添加到證書上。我這里有個之前創(chuàng)建好的策略，trusted_device 信任設(shè)備，擁有發(fā)布訂閱權(quán)限。
隨后會進入到這個頁面，生成證書和密鑰 ，這里都要下載，紅框中的三個是在下文demo中用到的文件。
.pem.crt是客戶端證書(里面也含有客戶端公鑰), -private.pem.key是客戶端私鑰，然后是根CA 。
演示Pub - Sub
按上述操作，我們可以分別生成2個物品Thing，進行Pub - Sub的演示，這里使用Python SDK進行演示，
發(fā)送端：
接收端：
代碼地址：https://github.com/Wunan777/aws_iot_demo/tree/main
結(jié)語
至此我們完成了 對于 AWS IoT Core重要概念的講解，以及Demo實踐。
相較于其它廠商，AWS IoT Core 除了實現(xiàn)了基礎(chǔ)的MQTT功能，還有額外的比如影子，任務(wù)等功能，其對于IoT的實現(xiàn)是豐富，成熟的，推薦大家了解，這也對深入理解IoT設(shè)計有一定啟發(fā)和幫助！
