MQTT come usare MQTT in C - pt.1

Charles Xavier: Due giorni in viaggio, un solo pasto e non abbiamo chiuso occhio. Lei ha 11 anni e io 90, cazzo!
Logan: Sono 101 ragioni per continuare a muoverci.

MQTT, un titolo secco di una sola parola. E qui ci vuole un film con un titolo (e un contenuto) altrettanto secco: Logan del bravo James Mangold fa proprio al caso nostro. Un film "crepuscolare" che celebra la fine della Saga dei Mutanti, con un Wolverine/H.Jackman e un Prof.X/P.Stewart veramente perfetti. Un film super-raccomandato con frasi come quella sopra che ci introducono al tema di oggi: dopo tanta fatica fatta per studiare e assimilare gli n-mila protocolli di rete disponibili, è il caso di imparare a usarne un'altro? E la risposta è si: in questo articolo parleremo di MQTT!

...facciamo in fretta, se no ci perdiamo il prossimo MQTT!...

Ok, veniamo al dunque: cosa è, esattamente, MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)? È un protocollo di messaggistica leggero, basato su standard aperti, di tipo "pubblica/sottoscrivi", progettato per garantire una comunicazione efficiente tra dispositivi in reti con larghezza di banda ridotta, elevata latenza o inaffidabili. È un protocollo relativamente recente: fu sviluppato nel 1999 per il monitoring di oleodotti via satellite, e in seguito, visto che funzionava bene, è diventato lo standard de facto per le applicazioni dell'Internet delle cose (IoT) e dell'IoT industriale (IIoT) grazie al suo impatto minimo sulle risorse e alla sua scalabilità.

Il protocollo lavora usando un'architettura basata su un broker centrale (una specie di server) in cui i dispositivi (client publisher) pubblicano messaggi su argomenti specifici anziché inviare dati direttamente ad altri dispositivi. Gli abbonati (client subscriber) registrano il proprio interesse per questi argomenti, consentendo al broker di filtrare e distribuire i messaggi solo ai destinatari pertinenti. Le caratteristiche principali includono tre livelli di Quality of Service (QoS) per garantire la consegna, messaggi conservati per gli aggiornamenti di stato e supporto per la crittografia e l’autenticazione TLS per garantire la sicurezza. La sua natura binaria e le intestazioni dei messaggi di piccole dimensioni (fino a due byte) lo rendono ideale per microcontrollori con risorse limitate e sensori sensibili al consumo energetico.

Si può anche notare che per pubblicare e sottoscrivere si usa una nomenclatura gerarchica molto simile a quella di un file-system POSIX, quindi con alberi di nomi separati dal carattere "/", e questi alberi possono essere molto nidificati, esattamente (come appena detto) come in un file-system: un'idea molto interessante e azzeccata. Notare che nella terminologia MQTT questi pseudo-pathname, usati per pubblicare e sottoscrivere, vengono chiamati topic.

E non possiamo continuare senza mostrare un po' di codice, no? Ok, per scrivere il codice dobbiamo/possiamo appoggiarci a qualche libreria di quelle disponibili: per il nostro amato C abbiamo due scelte principali:

• Eclipse Paho MQTT C Client library: è una libreria abbastanza sofisticata e completa, compatibile con i due standard disponibili, MQTT 3.1.1 e MQTT 5.0. È ideale per applicazioni "senza compromessi", su Hardware di buon livello (PC e Server).
• MQTT-C: è una libreria semplice e leggerissima, compatibile solo con lo standard MQTT 3.1.1. È ideale per applicazioni embedded (con OS o anche di tipo "bare-metal") ma usabile anche su Linux o alcuni RTOS.

Per questo articolo ho scritto un semplice esempio che usa la libpaho (versione 3.1.1), ed è un codice che implementa un client che funziona, allo stesso tempo, come Publisher e come Subscriber, usando opportunamente la linea di comando: in questo modo si possono, ad esempio, lanciare due client che scrivono/leggono sui rispettivi topic "incrociati" (e cioè: il client1  pubblica sul topic2  e legge dal topic1  e il client2  pubblica sul topic1  e legge dal topic2)... spero di essere stato chiaro. Comunque, vediamo il codice, compiliamo ed eseguiamo come appena descritto, e sarà tutto più chiaro. Vai col codice!

// mqttclient.c - un semplice client mqtt (con libpaho)
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include <unistd.h>
#include "MQTTClient.h"
#define QOS     1
#define TIMEOUT 10000L
// onMessage - una callback per i messaggi che arrivano sul topic sorvegliato
int onMessage(void *context, char *topicName, int topicLen, MQTTClient_message *message)
{
    printf("messaggio ricevuto sul topic %s: \"%.*s\"\n",
           topicName, message->payloadlen, (char *)message->payload);
    MQTTClient_freeMessage(&message);
    MQTTClient_free(topicName);
    return 1;
}
// funzione main
int main(int argc, char *argv[])
{
    // test del numero di argomenti
    if (argc != 4) {
        // errore: numero errato di argomenti
        printf("%s: numero errato di argomenti\n", argv[0]);
        printf("uso: %s clientId topicPub topicSub"
               "(e.g.: %s client1 test/topic2 test/topic1)\n", argv[0], argv[0]);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // creo un client
    MQTTClient client;
    MQTTClient_create(&client, "tcp://localhost:1883",
                      argv[1], MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);
    // set delle callback: in questo caso solo la onMessage()
    MQTTClient_setCallbacks(client, NULL, NULL, onMessage, NULL);
    // set delle opzioni di connessione
    MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
    conn_opts.keepAliveInterval = 20;
    conn_opts.cleansession = 1;
    // mi collego
    int rc;
    if ((rc = MQTTClient_connect(client, &conn_opts)) != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("errore di connessione: codice %d\n", rc);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // mi sottoscrivo a un topic (topicSub in "uso: %s clientId topicPub topicSub")
    printf("%s: mi sottoscrivo al topic %s\n", argv[1], argv[3]);
    MQTTClient_subscribe(client, argv[3], QOS);
    // pubblico messaggi sull'altro topic (topicPub in "uso: %s clientId topicPub topicSub")
    MQTTClient_message pubmsg = MQTTClient_message_initializer;
    char payload[128];
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        // attendo 2 secondi prima di pubblicare un messaggio
        sleep(2);
        // pubblico
        snprintf(payload, sizeof(payload), "messaggio %d dal client %s", i, argv[1]);
        pubmsg.payload = (void*)payload;
        pubmsg.payloadlen = strlen(payload);
        pubmsg.qos = QOS;
        pubmsg.retained = 0;
        MQTTClient_deliveryToken token;
        MQTTClient_publishMessage(client, argv[2], &pubmsg, &token);
        MQTTClient_waitForCompletion(client, token, TIMEOUT);
        printf("Messaggio %d publicato sul topic %s\n", i, argv[2]);
    }
    // mi disconnetto
    sleep(2);
    MQTTClient_disconnect(client, TIMEOUT);
    MQTTClient_destroy(&client);
    return EXIT_SUCCESS;
}

Come avrete notato, il codice è abbastanza semplice e super-commentato, quindi con c'è molto più da spiegare. Faccio solo notare che questo esempio si collega a un broker  locale (ossia installato sulla macchina stessa di esecuzione), quindi il collegamento è fatto con l'indirizzo: "tcp://localhost:1883". Ma ci sono anche dei broker pubblici disponibili in rete che funzionano esattamente come quello locale. Nel mio caso (Linux) il broker  locale che uso è Mosquitto (disponibile anche per Windows) e funziona alla grande.

E, come detto sopra, compiliamo:

aldo@Linux $ gcc -o mqttclient mqttclient.c -lpaho-mqtt3c

ed eseguiamo in due terminali diversi (possibilmente in quasi-contemporanea, per non perdersi messaggi: se siete troppo lenti, quando il secondo client parte il primo potrebbe già aver pubblicato tutti i suoi messaggi, ah ah ah. Comunque le "strane" sleep(3) che ho aggiunto sono proprio per rendere leggibili i risultati). Il risultato è questo:

terminale 1:

aldo@Linux $ ./mqttclient Client2 test/topic1 test/topic2
Client2: mi sottoscrivo al topic test/topic2
Messaggio 0 publicato sul topic test/topic1
messaggio ricevuto sul topic test/topic2: "messaggio 0 dal client Client1"
Messaggio 1 publicato sul topic test/topic1
messaggio ricevuto sul topic test/topic2: "messaggio 1 dal client Client1"
Messaggio 2 publicato sul topic test/topic1
messaggio ricevuto sul topic test/topic2: "messaggio 2 dal client Client1"

terminale 2:

aldo@Linux $ ./mqttclient Client1 test/topic2 test/topic1
Client1: mi sottoscrivo al topic test/topic1
messaggio ricevuto sul topic test/topic1: "messaggio 0 dal client Client2"
Messaggio 0 publicato sul topic test/topic2
messaggio ricevuto sul topic test/topic1: "messaggio 1 dal client Client2"
Messaggio 1 publicato sul topic test/topic2
messaggio ricevuto sul topic test/topic1: "messaggio 2 dal client Client2"
Messaggio 2 publicato sul topic test/topic2

Visto? Funziona perfettamente!

Ok, per oggi può bastare. Nel prossimo articolo proveremo a usare la leggerissima libreria MQTT-C. E, come spesso vi raccomando, non trattenete il respiro nell'attesa! (può nuocere gravemente alla salute).

Ciao, e al prossimo post!