Table des matières

installer MQTT bis --- A tester ----

Sommaire Raspberry Pi sous Linux

Raspberry Pi - Installer un broker (serveur) MQTT Mosquitto

[Mise à jour le 1/8/2022] <html><span style=“color:red”>En cours de rédaction</span></html>

client1), serveur 2), broker MQTT3), subscriber4), publisher5), topic MQTT6), payload7)(charge utile), joker8), sécurité, QoS9).

1. MQTT (généralités)

Pour répondre à la problématique du nombre grandissant d’objets connectés qui vont faire leur apparition sur la toile (selon une étude Gartner : près de 26 milliards d’objets connectés seront sur Internet d’ici 2020), l’IoT (Internet Of Things), s’est doté d’un nouveau standard : MQTT (Message Queuing Telemetry Transport).

Pourquoi MQTT et pas un autre ?

MQTT est ouvert, simple, léger et facile à mettre en œuvre. Il est idéal pour répondre aux besoins suivants :

1.1 Historique

Le protocole MQTT (MQ Telemetry Transport) trouve ses origines en 1999 dans les travaux de Andy Standford-Clark et Arlen Nipper, alors qu'ils travaillaient pour IBM au développement d'un protocole pour une utilisation industrielle de télémétrie en lien avec l'industrie pétrolière.

1.2 Principes

1.2.1 Organisation et communication

<callout type=“primary” icon=“true”>MQTT est un service de publication/abonnement TCP/IP simple et extrêmement léger. Il fonctionne sur le principe client/serveur.</callout>

Le serveur ou courtier, nommé broker, va collecter des informations que les éditeurs (publishers) vont lui transmettre. Certaines informations collectées par le broker seront renvoyées à certains abonnés (subscribers) ayant préalablement fait la demande au broker. Un client peut être à la fois éditeur et abonné.

Le principe d’échange est très proche de celui de Twitter. Les messages sont envoyés par les éditeurs sur un canal d'information appelé topic. Ces messages peuvent être lus par les abonnés. Les topics peuvent avoir une hiérarchie qui permet de sélectionner finement les informations que l’on désire.

<callout type=“primary” icon=“true”>Les messages envoyés par les éditeurs peuvent être de toute sorte, mais ne peuvent excéder une taille de 256 Mo bien que dans les mises en œuvre réelles, le maximum soit de 2 à 4 Ko.</callout>

Résumé
<callout type=“success” icon=“true”>MQTT fonctionne sur TCP/IP et fait intervenir deux types d'acteurs : des clients (subscriber, publisher) pouvant à la fois envoyer et recevoir des messages et un broker MQTT chargé de recevoir tous les messages et de les transmettre aux clients inscrits. Le principal travail du broker est de servir de relai. Pour cela, il maintient un répertoire de type “qui veut quoi” sous la forme de sujets ou topics. </callout>

1.2.2 Les topics

<callout type=“primary” icon=“true”>Un topic est une simple chaine de caractères, mais qui peut être structurée hiérarchiquement.
Exemple : maison/salon/temperature</callout>

Exemple
Le topic “maison/salon/temperature” communiquera la température du salon (la sonde de température présente dans le salon publiera régulièrement la température relevée sur ce topic).

Les trois clients établissent une connexion TCP avec le broker. Les clients B et C souscrivent au topic temperature. Le Client A publie sur le topic temperature une valeur de 22,5°. Le broker propage le message à tous les clients ayant préalablement souscrit au topic Temperature.

<callout type=“primary” icon=“true”>Cette écriture hiérarchique permet à un abonné de souscrire à un ensemble de topics en utilisant des caractères joker (+, #).</callout>

Le caractère joker +
+ est le joker pour un unique niveau hiérarchique. Un client souscrivant à “maison/+/temp” recevra les messages adressés par d'autres clients aux topics :

mais pas :

Le caractère joker #
Le # est un joker multiniveau s'utilisant toujours après un / et en dernier caractère. Il est destiné à remplacer n'importe quel niveau supérieur dans le topic.
“maison/#” correspondra aux topics :

mais pas :

Le caractère joker $
Le joker $ ne peut pas être utilisé pour publier. Il précède les topics concernant les statistiques internes du broker. Son utilisation est illustrée au paragraphe Le broker Mosquitto.

<callout type=“warning” icon=“true”>Voir les bonnes pratiques d'écriture des topics sur <html><a href=“https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-5-mqtt-topics-best-practices/” target=“_blank”>hivemq.com</a></html></callout>

1.2.3 Sécurité

Les données IoT échangées peuvent s’avérer très critiques, c’est pourquoi il est possible de sécuriser les échanges à plusieurs niveaux :

1.2.4 Qualité de service (QoS)

MQTT intègre en natif la notion de QoS. En effet, le publisher à la possibilité de définir la qualité de son message.

Trois niveaux sont possibles :

<callout type=“primary” icon=“true”>MQTT QoS niveau 1 est utilisé dans les courtiers MQTT commerciaux comme AWS IoT, Azure, etc.</callout>

<callout type=“primary” icon=“true”>La plupart des courtiers MQTT commerciaux ne prennent pas en charge le niveau de QoS 2 car il est lent et consomme plus de ressources.</callout>

1.3 Structure d'un paquet MQTT

Le format de paquet ou de message MQTT se compose d'un en- tête fixe de 2 octets (toujours présent) + en -tête de variable (pas toujours présent) + charge utile (pas toujours présent).

2. Le broker Mosquitto

Eclipse Mosquitto est un courtier de messages (broker) open source (sous licence EPL / EDL) qui implémente les versions 3.1 et 3.1.1 du protocole MQTT. Mosquitto est léger et convient à une utilisation sur tous les appareils, des ordinateurs monocarte basse consommation aux serveurs complets.

Le protocole MQTT fournit une méthode légère pour effectuer la messagerie en utilisant un modèle de publication / abonnement. Cela le rend approprié pour la messagerie Internet of Things, par exemple avec des capteurs de faible puissance ou des appareils mobiles tels que des téléphones, des ordinateurs intégrés ou des microcontrôleurs.

Le projet Mosquitto fournit également une bibliothèque C pour l’implémentation des clients MQTT, ainsi que les très populaires clients MQTT mosquitto_pub et mosquitto_sub.

Mosquitto fait partie de la <html><a href=“https://www.eclipse.org/” target=“_blank”>Fondation Eclipse</a></html> et est un projet de <html><a href=“https://iot.eclipse.org/” target=“_blank”>iot.eclipse.org</a></html>.

3. Installation et mise en oeuvre basique

3.1 Sur un Raspberry Pi

3.1.1 Installation

*.bash
sudo apt update && sudo apt upgrade -y
*.bash
sudo apt install mosquitto -y
*.bash
sudo apt install mosquitto-clients -y
*.bash
mosquitto_sub -v -h localhost -t '$SYS/broker/version'
 
# Exemple de résultat attendu
$SYS/broker/version mosquitto version 2.0.11

<callout type=“info” icon=“true”>On remarque que l'outil mosquitto_sub ne rend pas la main et reste connecté au broker (carré noir). C'est le principe même du fonctionnement de MQTT lors d'un abonnement à un topic, rester à l'écoute. Pour se déconnecter, entrer le raccourci CTRL-C.</callout>

“$SYS/broker/clients/connected”Le nombre de clients connectés au broker.
“$SYS/broker/clients/maximum” Le nombre maximum de clients connectés ayant été atteint.
“$SYS/broker/messages/received”Le nombre total de messages reçus depuis que le broker a été démarré.
“$SYS/broker/uptime”Le nombre de secondes écoulées depuis le démarrage.
“$SYS/broker/version”La version du broker.

3.1.2 Arrêt, redémarrage

<callout type=“tip” icon=“true”>Le broker est installé en tant que service. Pour l'arrêter ou le redémarrer, utiliser les commandes suivantes :</callout>

*.bash
sudo systemctl stop mosquitto.service 
sudo systemctl start mosquitto.service

3.1.3 Tests

<callout type=“info” icon=“true”>Le paquet mosquitto-clients fournit deux commandes, <html><a href=“https://mosquitto.org/man/mosquitto_sub-1.html” target=“_blank”>mosquitto_sub</a></html> pour une souscription et <html><a href=“https://mosquitto.org/man/mosquitto_pub-1.html” target=“_blank”>mosquitto_pub</a></html> pour une publication.</callout>

3.1.3.1 Test sur le RaspBerry Pi (localhost)

Pour tester le bon fonctionnement du broker, nous allons publier le message (payload) “Bonjour” sur le canal d'information (topic) test/val à l'aide d'un client mosquitto_pub. Ce message sera reçu par un client mosquitto_sub abonné à test/val.

*.bash
mosquitto_sub -v -h localhost -t test/val
*.bash
mosquitto_pub -h localhost -t test/val -m "Bonjour"

Résultat attendu

3.1.3.2 Test sur le réseau local

<callout icon=“fa fa-hand-stop-o” color=“red” title=“STOP”>A partir de la version 2 de Mosquitto seule la connexion sur le réseau local est acceptée par le broker.
Pour effectuer le test précédent entre un courtier situé sur une machine (PC, Raspberry Pi,etc.) et un éditeur/abonné situé sur une autre machine (PC, smartphone, etc.) via un réseau local, il est nécessaire de modifier le fichier de configuration mosquitto.conf situé dans /etc/mosquitto/.
Pour cela :
- Ouvrir le fichier mosquitto.conf
- Ajouter les interfaces à l'aide de l'option listener </callout>

*.bash
# Ouvrir le fichier mosquitto.conf
sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf

Exemple : connexion au broker situé sur un Raspberry Pi, sur l'hôte local et sur le réseau local via les interfaces Ethernet et wifi.

Tests réalisés entre un RaspBerry pi et un smartphone Consulter la page Wiki Réseau - Test d'un broker Mosquitto avec MyMQTT (Android App) pour la mise en oeuvre du test.

3.2. Sous Windows

Voir ce <html><a href=“http://www.steves-internet-guide.com/install-mosquitto-broker/” target=“_blank”>lien</a></html> pour installer le broker Mosquitto sous Windows,

3.3 Sur un NAS Synology

Le fichier mosquitto.conf se situe dans le dossier /usr/local/mosquitto/var. Se connecter en ssh. Ouvrir mosquitto.conf avec nano et le compléter comme ci-dessous :

mosquitto.conf
# Write process id to a file.
protocol websockets # A ajouter
pid_file /var/packages/mosquitto/target/var/mosquitto.pid
 
# =================================================================
# Default listener
# =================================================================
# Port to use for the default listener.
port 1883
listener 9001 # A ajouter

4 Sécurité

<callout type=“info” icon=“true”>Cette partie ne sera pas exploitée lors du développement sur un réseau local dans la salle de classe. A prendre en compte si l'accès au broker se fait via Internet.</callout>

4.1 Authentification

Ce paragraphe illustre la mise en sécurité de l'installation étudiée dans la partie “Découverte” de la page Mise en oeuvre d'un client MQTT sur un ESP8266 feather Huzzah. La mise en sécurité de cette installation passe par la mise en place d'une authentification. Les clients MQTT doivent s'authentifier avec un identifiant / mot de passe. La mise en place de cette authentification doit se faire côté Mosquitto (traitée ci-dessous) et côté client (voir Mise en oeuvre d'un client MQTT sur un ESP8266 feather Huzzah)

Fichier de configuration de Mosquitto
<callout type=“warning” icon=“true”>Par défaut, le fichier de configuration mosquitto.conf d'un Raspberry Pi, situé dans /etc/mosquitto/, contient :</callout>

mosquitto.conf
# Place your local configuration in /etc/mosquitto/conf.d/
#
# A full description of the configuration file is at
# /usr/share/doc/mosquitto/examples/mosquitto.conf.example
 
pid_file /var/run/mosquitto.pid
persistence true
persistence_location /var/lib/mosquitto/
log_dest file /var/log/mosquitto/mosquitto.log
include_dir /etc/mosquitto/conf.d
# -------------------------------------------
# A ajouter à partir de la version 2
# -------------------------------------------
listener localhost # actif par défaut mais à ajouter
listener @IP1      # si ajout d'@IP(s)
listener @IP2
# etc.

<callout type=“warning” icon=“true”>Pour installer l'authentification côté Mosquitto, il n'est pas nécessaire de modifier le fichier mosquitto.conf. Il suffit de sauvegarder les éléments de configuration supplémentaires dans le répertoire ciblé par include_dir (ici /etc/mosquitto/conf.d) sous la forme de fichiers.</callout>

Étape 1. Création d'un fichier de mots de passe
Pour créer un fichier de mots de passe, le paquet mosquitto fournit l'outil mosquitto_passwd. Entrer la commande ci-dessous :

*.bash
sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd sondes

Le Raspberry pi demande un mot de passe. Entrer mot2passe.

En supprimant -c de la commande ci-dessus, il est possible :

Étape 2. Création d'un fichier d'authentification auth.conf

*.bash
sudo touch /etc/mosquitto/conf.d/auth.conf
*.bash
sudo nano  /etc/mosquitto/conf.d/auth.conf
*.bash
password_file /etc/mosquitto/passwd
allow_anonymous false # Connexions sans mot de passe non autorisées
 
# password_file permet de spécifier le fichier de mots de passe à utiliser
# allow-anonymous autorise (**true**) ou non (**false**) les connexions anonymes (sans mot de passe)
*.bash
sudo systemctl restart mosquitto.service

Étape 3. Tests
Les tests ci-dessous sont à réaliser lorsque le croquis clientmqttesp8266.ino décrit à la page Mise en oeuvre d'un client MQTT sur un ESP8266 feather Huzzah a été modifié pour assurer l'authentification de la connexion.

La commande de la LED de la carte ESP8266 peut se faire comme ci-dessous :

*.bash
mosquitto_pub -h localhost -u "sondes" -P "mot2passe" -t ctrlled -m 1

ou

*.bash
mosquitto_pub -h localhost -u "sondes" -P "mot2passe" -t ctrlled -m 0

L'affichage dans une console sur le Raspberry Pi de la valeur envoyée par l'ESP8266 toutes les 5s peut se faire comme ci-dessous :

*.bash
mosquitto_sub -v -h localhost -u "sondes" -P "mot2passe" -t maison/+/valeur

4.2 Chiffrage de la connexion

<html><span style=“color:red”>A faire</span></html>

5 QoS

<callout type=“primary” icon=“true”>Mosquitto implémente les trois qualités de service.</callout>

6. MQTT sur WebSockets avec Mosquitto

6.1 Pourquoi utiliser MQTT sur Websockets ?

<callout type=“warning” icon=“true”>MQTT sur Websockets vous permet de recevoir des données MQTT directement dans un navigateur Web.</callout>

Le navigateur Web peut devenir l'INTERFACE pour afficher les données MQTT. Le support JavaScript de MQTT Websocket pour les navigateurs Web est fourni par le client JavaScript.

6.2 MQTT sur Websockets vs MQTT.

6.2.1 Présentation

Dans le cas de MQTT sur Websockets, la connexion websockets constitue un canal externe pour le protocole MQTT. Le courtier MQTT place le paquet MQTT dans un paquet websockets et l'envoie au client. Le client extrait le paquet MQTT du paquet websockets puis le traite comme un paquet MQTT normal.

<callout type=“primary” icon=“true”>La version 1.5.7 du broker Mosquitto pour Raspberry Pi OS est compatible avec les Websockets. Il faut configurer le fichier mosquitto.conf pour que la communication s'établisse entre le broker et un client.</callout>

6.2.2 Configuration du fichier mosquitto.conf

MQTT sur Websockets utilise généralement le port 9001 mais il n'est pas fixé.

mosquitto.conf
# Place your local configuration in /etc/mosquitto/conf.d/
#
# A full description of the configuration file is at
# /usr/share/doc/mosquitto/examples/mosquitto.conf.example
port 1883      # A ajouter
listener 9001  # A ajouter
protocol websockets # A ajouter
pid_file /var/run/mosquitto.pid

Cela crée un écouteur supplémentaire à l'aide de websockets et du port 9001.

*.bash
sudo systemctl restart mosquitto.service

6.2.3 Test de Websocket

Pour tester les websockets, nous avons besoin d'un client prenant en charge les websockets. Nous utiliserons le client Javascript Paho décrit sur la page Créer un client MQTT avec Eclipse Paho.

7. Outils

7.1 MyMQTT : un client pour Androïd

En installant un client pour Androïd tel que MyMQTT sur un smartphone, on pourra facilement vérifier la capacité du broker à recevoir ou à émettre des messages.

Consulter la page Wiki Réseau - Test d'un broker Mosquitto avec MyMQTT (Android App) pour sa mise en oeuvre.

7.2 MQTTlens : un client pour navigateur

MQTTlens est une application Google Chrome, qui se connecte à un courtier MQTT et peut s'abonner et publier sur des sujets MQTT.

Consulter la page Wiki Réseau - Test d'un broker Mosquitto avec MQTTlens pour sa mise en oeuvre.

1)
Dans un réseau informatique, un client est le logiciel qui envoie des demandes à un serveur.
2)
Un serveur informatique est un dispositif informatique (matériel ou logiciel) qui offre des services, à un ou plusieurs clients.
3)
Serveur ou courtier des messages. Il se charge de les aiguiller vers les différents clients qui se sont abonnés.
4)
Abonné à un ou plusieurs topics.
5)
Editeur de messages.
6)
Sujet ou canal d'information. Dans MQTT, le mot topic fait référence à une chaîne UTF-8 que le courtier utilise pour filtrer les messages des clients.
7)
Les messages possèdent un payload, c'est à dire, une propriété contenant les informations les plus utiles.
8)
Caractère générique utilisé dans le mécanisme de filtrage des messages.
9)
La qualité de service (QDS) ou quality of service (QoS) est la capacité à véhiculer dans de bonnes conditions un type de trafic donné.