MQTT(使用mosquitto做broker)做Android推送总结

Aug 05, 2014

“读万卷书,行万里路”。我觉得这句话用在程序员的工作中就是:在网络中找一万篇资料,在实践中做一万种尝试。


2014-09-17:
在本文中,由于作者事先不了解,设计不合理,使每个设备采用prefix+CLIENT_ID的方式作为topic,导致需要给每个设备的topic单独推送,才产生了一些问题,特别是推送的时间上的问题,是PHP循环往每个topic写入消息的时间。希望读者不要被我误导。
给每个设备一个topic,实际上只在做点对点的推送的时候需要,如果没有这个需求,比如全局的推送,或者是几个大类的推送,完全可以设计一个更合理的topic规则,把主要的精力放在client和broker的维护上。


由于Android的开放性,Android的推送解决方案有很多。这其中最便于使用的,应该是google提供的GCM的方案,但是GCM是基于GMS服务的。由于国内的ROM大多干掉了GMS,或者是由于某些众所周知的原因,我们无法使用这个方案获得稳定的推送服务(这个Apple的APNS不同,APNS是IOS的设备上唯一可用的推送解决方案,也是稳定的方案)。基于这些原因,我们选择了自建推送服务的方式。

###1. 基础建设: 纸上得来终觉浅 绝知此事要躬行

  1. 理论支撑 :使用MQTT作为Android实现方案的原因源于一篇四年前的文章:[How to Implement Push Notifications for Android](http://tokudu.com/post/50024574938/how-to-implement-push-notifications-for-android “”);
  2. 与Web管理的对接 : 文章的作者同时也提供了PHP端的Client方案:[PhpMQTTClient](https://github.com/tokudu/PhpMQTTClient “”)。
  3. 服务端 : 当然,这只是Web端的实现方案,至于后端需要使用的Broker,我们找到了[mosquitto](http://mosquitto.org/ “”)。
  4. 客户端 : 在客户端中,我们使用的是来自IBM的wmqtt.jar的包:[wmqtt](http://mqtt.org/wiki/doku.php/ia92#wmqtt_ia92_java_utility “”)

以上四个基本条件是我们具备了部署基于MQTT协议的Android的推送服务的基本条件。在最初的测试中,也没有遇到过太大的问题,测试顺利,于是我们在我们的应用和服务器之间部署了这套解决方案。

###2. 从0到1的变化: 千里之行,始于足下

由于事先并没有做推送的经验,在实际实施的过程中我们明白的几个基础的概念:

  1. MQTT协议是一个即时通讯协议,推送实际上用到的只是它可以publish内容给topic的功能。topic是一个广播,所有订阅了这个topic的客户端都可以收到消息,为了实现针对设备的点对点推送,我们使用一个prefix+Client ID的方式给每个设备一个topic(如果没有这个需求,可以采取其它灵活的方式)。
  2. 为了保证客户端能够实时的收到推送消息,即使是程序退出,客户端用于接收消息的service也需要处于保持状态。
  3. 客户端与Broker、Broker和Web端的都是socket通信,推送的过程是用于Web端的client发布一个消息到Broker,Broker再将消息发送给当前其它连接到Broker的Client。所以能及时收到消息的只是现在和Broker保持连接状态的设备。
  4. 服务端需要维护一个设备id列表,这个列表中的id必须都是唯一的(在前期,我们选择使用Android ID,这也带来了很多麻烦)。

基于以上几点,我们也可以发现以下的问题:

  1. 不是所有的设备都能够及时的获取到推送的内容。
  2. 客户端的service随时会有被各种安全软件干掉的风险。

通过前期的调研我们也发现,这些问题也是其它的第三方推送服务也都会遇到的问题。只要迈出第一步,让服务先work起来,其它的问题后续来优化。

###3. 从1到1万: 不积硅步,无以致千里

这个阶段主要是丰富推送的功能,解决一些前表面上的问题,我们做了以下的调整:

  1. 在设备量到10000的时候,遇到了一个问题:推送10000个设备时间过长。这个问题很快得到了解决:这是由于没发送一个设备,都新建了一个从Web端到Broker的socket连接,这实际上是没有必要的,只要socket不断开所有Publish的工作都可以通过一个socket进行(这和APNS有些不一样的地方,在苹果的推送服务中,如果有一个设备id是无效的,整个推送都会断开),在前文提到过的Web端的库中,是有指定重连的操作的。

  2. 丰富推送的内容。虽然推送的内容都是文本,但是文本的解析却是客户端维持的service来进行的,所以通过推送json的方式,实现了分别推送新闻、天气等富文本信息,并可以通过点击跳转到不同的页面。

  3. 分地区推送的需求,这个实现方式经过一些迭代,最早是通过用户注册地来实现的,后来改为了用户安装应用时上报的地区的方式。

###4. 从1万到10万,必须做出的改变: 行百里者半于九十

数据量到达10万的时候,一些问题也逐渐凸显。

  1. Android ID重复的问题 : 从网上查询来的资料,大部分都是使用Android的系统参数ANDROID_ID来做推送的。然而实践表明,这个参数并不是可靠的。生产环境中使用这个参数有极大的几率重复。由于一个相同的设备id连接到Broker的时候,之前的连接就会断开,这就会导致相同设备ID的设备只有一个会收到推送的消息。 在续的改造过程中,我们将设备ID换成了自己生成的一套唯一随机的ID。

  2. 错误的id字符 : 在查看MQTT的文档中,我们只注意到了设备ID需要在1~23位之间,却并没有注意到字符的限制。最初生成的id是base64的编码。在后面的测试中 ,总是发现推送到某些设备之后推送就断开了。经过检查发现,这是由于一些设备id中存在+符号导致的。 在Topic中,+#会被当作通配符处理,导致出现 Socket error 的错误。 经过咨询,得到了以下的答案: > Roger Light (roger.light) said : Are you saying that clients that have a client id with ‘+’ in are rejected? This shouldn’t happen. If you mean that clients are publishing to a topic with ‘+’ in, then you are correct that this is not allowed.

  3. 从Broker中获取有用的信息 : 生产环境中需要通过从Broker中获取一些有用的信息用于监控推送的状态。在Mosquitto的配置中,可以把log_type设定为all来记录全部的log。 通过订阅Mosquitto的一个特定的Topic,可以获取到一些推送的统计信息: mosquitto_sub -h 192.168.0.1 -p 1883 -t $SYS/broker/# -v

  4. 对于不在线的设备的处理(消息持久化) : IOS和Windows Phone的设备的推送服务由于是系统提供的服务,只要设备网络在线,都是可以及时收到消息的,对于Android的自建推送服务来说,显然无法保证这一点。然而通过消息持久化的配置,也可以实现以下策略:
    • 应用处于打开状态,设备在线的时候,可以及时的收到消息
    • 应用退出、推送的Service在线的时候,可以收到推送消息
    • 应用和Service都被关闭,下次应用启动的时候,可以收到一天内的推送消息

    基于以上的策略,可以在客户端和Broker之间配置消息持久化和订阅的持久化。配置过程中需要在以下几个地方注意: 1. Web端发送消息的时候,QoS设定为1 2. Mosquitto的配置文件中,设定persistencetrue 3. 客户端MQTT_CLEAN_START(Clean session)为false,即不在服务启动时清理session,MQTT_QUALITIES_OF_SERVICE(QoS)与Web端保持一致;

  5. 安全策略的控制 : 在Mosquitto的后端配置中,可以使用限定客户端前缀,使用ACL权限控制,配置SSL连接的方式进行安全控制。

###5. 从10万到more,更多要做的事情… 路遥知马力

  1. 推送时间的优化调整 : 实际环境中,一台4G内存,4核CPU的服务器,发送20万台设备的消息大概需要4分钟左右,推送服务器并没有什么压力,这个时间取决于Web端将所有的消息Publish到Broker服务器的时间。可以通过多线程的方式进行优化。

  2. 及时清理失效的设备id : 由于技术上的改造和迭代,一些设备ID在更新之后就不会再使用,服务端设定一定的策略来清理无效的设备ID可以减轻推送的压力。比如通过记录设备最后一次连接到Broker的时间,如果这个时间超出某个限制(一个月),就清理掉这个设备id。下次设备重新连入的时候还会再发送设备ID,这样即不会给服务器造成压力,也不会漏掉某些设备的推送。

  3. 集群部署 : Mosquitto支持集群部署的配置(Bridges),其原理也是将一个消息Puhlish到集群中的其它服务器,然后由其它服务器来发送。 > A bridge is a way of connecting multiple MQTT brokers together.

  4. 如何让客户端的service始终在线 : 参考: > 在android中,service被杀死后在没有被系统/安全软件禁止的条件下是能够自启动的,具体可自行网上搜索“android service onstartcommand START_STICKY”

###6. Mosquitto的配置优化 我们的部分配置:

allow_zero_length_clientid false
persistent_client_expiration 1d
max_connections -1
persistence true
log_type all
connection_messages false
allow_anonymous false

###7. 资源/资料收集 1. Apache的open source messaging and Integration Patterns server,ActiceMQ,使用java编写,使用与管理很方便,目前发现的问题是内存使用量较大:Apache ActiveMQ 3. MQTT v3.1协议规范:MQTT V3.1 Protocol Specification