物联网网关开发：基于MQTT消息总线的设计过程（上），我们聊了在一个物联网系统的网关中，如何利用 MQTT 消息总线，在嵌入式系统内部实现多个进程之间的相互通信问题。

这个通信模型的最大几个优点是：

模块之间解耦合；各模块之间可以并行开发；把 TCP 链接和粘包问题交给消息总线处理，我们只需要处理业务层的东西；调试方便；

以上只是描述了在一个嵌入式系统内部，进程之间的通信方式，那么网关如何与云平台进行交互呢？

在上一篇文章中已经提到过：网关与云平台之间的通信方式一般都是客户指定的，就那么几种（阿里云、华为云、腾讯云、亚马逊AWS平台）。一般都要求网关与云平台之间处于长连接的状态，这样云端的各种指令就可以随时发送到网关。

这一篇文章，我们就来聊一聊这部分内容。

二、与云平台之间的 MQTT 连接

目前的几大物联网云平台，都提供了不同的接入方式。对于网关来说，应用最多的就是 MQTT 接入。

我们知道，MQTT 只是一个协议而已，不同的编程语言中都有实现，在 C 语言中也有好几个实现。

在网关内部，运行着一个后台 deamon： MQTT Broker，其实就是 mosquitto 这个可执行程序，它充当着消息总线的功能。这里请大家注意：因为这个消息总线是运行在嵌入式系统的内部，接入总线的客户端就是需要相互通信的那些进程。这些进程的数量是有限的，即使是一个比较复杂的系统，最多十几个进程也就差不多了。因此，mosquitto 这个实现是完全可以支撑系统负载的。

那么，如果在云端部署一个 MQTT Broker，理论上是可以直接使用 mosquitto 这个实现来作为消息总线的，但是你要评估接入的客户端（也就是网关）在一个什么样的数量级，考虑到并发的问题，一定要做压力测试。

对于后台开发，我的经验不多，不敢（也不能）多言，误导大家就罪过了。不过，对于一般的学习和测试来说，在云端直接部署 mosquitto 作为消息总线，是没有问题的。

三、Proc＿Bridge 进程：外部和内部消息总线之间的桥接器

下面这张图，说明了 Proc＿Bridge 进程在这个模型中的作用：

从云平台消息总线接收到的消息，需要转发到内部的消息总线；从内部消息总线接收到的消息，需要转发到云平台的消息总线；

如果用 mosquitto 来实现，应该如何来实现呢？

1． mosquitto 的 API 接口

mosquitto 这个实现是基于回调函数的机制来运行的，例如：

／／ 连接成功时的回调函数void my＿connect＿callback（struct mosquitto ＊mosq， void ＊obj， int rc）｛    ／／ ．．．｝
／／ 连接失败时的回调函数void my＿disconnect＿callback（struct mosquitto ＊mosq， void ＊obj， int result）｛    ／／ ．．．｝
／／ 接收到消息时的回调函数void my＿message＿callback（struct mosquitto ＊mosq， void ＊obj， const struct mosquitto＿message ＊message）｛  ／／ ．．｝
int main（）｛    ／／ 其他代码    ／／ ．．．        ／／ 创建一个 mosquitto 对象    struct mosquitto g＿mosq ＝ mosquitto＿new（＂client＿name＂， true， NULL）；        ／／ 注册回调函数    mosquitto＿connect＿callback＿set（g＿mosq， my＿connect＿callback）；    mosquitto＿disconnect＿callback＿set（g＿mosq， my＿disconnect＿callback）；    mosquitto＿message＿callback＿set（g＿mosq， my＿message＿callback）；    ／／ 这里还有其他的回调函数设置      ／／ 开始连接到消息总线    mosquitto＿connect（g＿mosq， ＂127．0．0．1＂， 1883， 60）；      while（1）    ｛      int rc ＝ mosquitto＿loop（g＿mosq， －1， 1）；      if （rc） ｛        printf（＂mqtt＿portal： mosquitto＿loop rc ＝ ％d ＂， rc）；        sleep（1）；        mosquitto＿reconnect（g＿mosq）；      ｝    ｝    mosquitto＿destroy（g＿mosq）；    mosquitto＿lib＿cleanup（）；    return 0；｝

以上代码就是一个 mosquitto 客户端的最简代码了，使用回调函数的机制，让程序的开发非常简单。

mosquitto 把底层的细节问题都帮助我们处理了，只要我们注册的函数被调用了，就说明发生了我们感兴趣的事件。

这样的回调机制在各种开源软件中使用的比较多，比如：glib 里的定时器、libevent通讯处理、libmodbus 里的数据处理、linux 内核中的驱动开发和定时器，都是这个套路，一通百通！

在网关中的每个进程，只需要添加上面这部分代码，就可以挂载到消息总线上，从而可以与其它进程进行收发数据了。

2． 利用 UserData 指针，实现多个 MQTT 连接

上面的实例仅仅是连接到一个消息总线上，对于一个普通的进程来说，达到了通信的目的。

但是对于 Proc＿Bridge 进程来说，还没有达到目的，因为这个进程处于桥接的位置，需要同时连接到远程和本地这两个消息总线上。那么应该如何实现呢？

看一下 mosquitto＿new 这个函数的签名：

＊ obj － A user pointer that will be passed as an argument to any ＊      callbacks that are specified．最后一个参数的作用是：可以设置一个用户自己的数据（作为指针传入），那么mosquitto 在回调我们的注册的任何一个函数时，都会把这个指针传入。
因此，我们可以利用这个参数来区分这个连接是远程连接？还是本地连接。libmosq＿EXPORT struct mosquitto ＊mosquitto＿new（const char ＊id， bool clean＿session， void ＊obj）；

所以，我们可以定义一个结构体变量，把一个 MQTT 连接的所有信息都记录在这里，然后注册给 mosquitto。当 mosquitto 回调函数时，把这个结构体变量的指针回传给我们，这样就拿到了这个连接的所有数据，在某种程度上来说，这也是一种面向对象的思想。

／／ 从来表示一个 MQTT 连接的结构体typedef struct｛  char ＊id；  char ＊name；  char ＊pw；  char ＊host；  int port；  pthread＿t tHandle；  struct mosquitto ＊mosq；  int mqtt＿num；｝MQData；

完整的代码已经放到网盘里了，为了让你先从原理上看明白，我把关键几个地方的代码贴在这里：

／／ 分配结构体变量MQData userData ＝ （MQData ＊）malloc（sizeof（MQData））；
／／ 设置属于这里连接的参数： id， name 等等
／／ 创建 mosquitto 对象时，传入 userData。struct mosquitto ＊mosq ＝ mosquitto＿new（userData－＞id， true， userData）；
／／ 在回调函数中，把 obj 指针前转成 MQData 指针static void messageCB（struct mosquitto ＊mosq， void ＊obj， const struct mosquitto＿message ＊message）｛  MQData ＊userData ＝ （MQData ＊）obj；    ／／ 此时就可以根据 userData 指针中的内容分辨出这是哪一个链接了｝

另外一个问题：不知道你是否注意到示例中的 mosquitto＿loop（） 这个函数？这个函数需要放在 while 死循环中不停的调用，才能出发 mosuiqtto 内部的事件。（其实在 mosuiqtto 中，还提供了另一个简化的函数 mosquitto＿loop＿forever）。

也就是说：在每个连接中，需要持续的触发 mosquitto 底层的事件，才能让消息系统顺利的收发。因此，在示例代码中，使用两个线程分别连接到云平台的总线和内部的总线。

四、总结

经过这篇文章，基本上把一个物联网系统的网关中，最基本的通信模型聊完了，相当于是一个程序的骨架吧，剩下的事情就是处理业务层的细节问题了。

万里长征，这才是第一步！

对于一个网关来说，还有其他更多的问题需要处理，比如：MQTT 连接的鉴权（用户名＋密码，证书）、通信数据的序列化和反序列化、加密和解密等等，以后慢慢聊吧，希望我们一路前行！