MQTT และการใช้งานสำหรับ Linux (ตอนที่ 4)#

เนื้อหาในตอนที่ 4 นำเสนอการติดตั้ง Mosquitto Broker สำหรับ Linux เช่น บอร์ด Raspberry Pi หรือ Ubuntu VM ที่ทำงานโดยใช้ซอฟต์แวร์ Oracle VirtualBox

▷ การติดตั้ง MQTT Broker สำหรับ Raspberry Pi#

ถัดไปเป็นขั้นตอนการติดตั้ง Mosquitto MQTT Broker สำหรับบอร์ด Raspberry Pi ที่ใช้ระบบปฏิบัติการ Raspberry Pi OS (64-bit) และตั้งชื่อเครื่องคอมพิวเตอร์ (Hostname) เป็น iot-rpi.local

$ uname -smv
Linux #1579 SMP PREEMPT Fri Aug 26 11:16:44 BST 2022 aarch64

$ cat /etc/os-release | head -n 1
PRETTY_NAME="Debian GNU/Linux 11 (bullseye)"

1) ทำคำสั่งต่อไปนี้เพื่อติดตั้งแพ็กเกจ mosquitto (เวอร์ชันที่ได้ลองใช้คือ v2.0.11-1)

$ sudo apt update 
$ sudo apt install -y mosquitto

2) สร้างไฟล์ /etc/mosquitto/mosquitto.conf

$ sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf

และกำหนดรูปแบบการใช้งานดังนี้

การเปิดใช้งานพอร์ต 1883 สำหรับโพรโทคอล MQTT แต่ไม่มีการเข้ารหัสสำหรับข้อความ
การเปิดพอร์ต 9001 สำหรับการเชื่อมต่อด้วยโพรโทคอล WebSockets
การเชื่อมต่อกับโบรกเกอร์ ต้องมีการป้อนชื่อผู้ใช้และรหัสผ่านเท่านั้น เนื่องจากการตั้งค่าให้ allow_anonymous เปลี่ยนจาก true มาเป็น false และข้อมูลเกี่ยวกับชื่อผู้ใช้และรหัสผ่านจะถูกเก็บไวในไฟล์ /etc/mosquitto/passwd

File: /etc/mosquitto/passwd

pid_file /run/mosquitto/mosquitto.pid

persistence true
persistence_location /var/lib/mosquitto/

log_dest file /var/log/mosquitto/mosquitto.log

include_dir /etc/mosquitto/conf.d

# mqtt
listener 1883
protocol mqtt

# websockets
listener 9001
protocol websockets

allow_anonymous false
password_file /etc/mosquitto/passwd

บันทึกการแก้ไขลงไฟล์ (Ctrl+o แล้วกด Enter) และจบการทำงาน (Ctrl+x)

รูป: การแก้ไขไฟล์ /etc/mosquitto/passwd ด้วยโปรแกรม nano

3) สร้างบัญชีผู้ใช้ เช่น ชื่อและรหัสผ่านเป็น iot : mqtt โดยจะนำไปเก็บไว้ในไฟล์ /etc/mosquitto/passwd ซึ่งจะถูกสร้างขึ้นใหม่ (-c หมายถึง การสร้างไฟล์ใหม่) เมื่อทำคำสั่งต่อไปนี้ จะต้องป้อนรหัสผ่านสองครั้งเพื่อเป็นการยืนยัน

sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd iot

4) เปิดใช้งาน mosquitto และจะทำเริ่มต้นทำงานโดยอัตโนมัติเมื่อมีการรีเซตระบบ

$ sudo systemctl enable mosquitto.service
$ sudo systemctl restart mosquitto
$ sudo systemctl status mosquitto

รูป: ตัวอย่างข้อความที่แสดงสถานะการทำงานของ Mosquitto Server

▷ การติดตั้ง Mosquitto Clients#

ทำคำสั่งเพื่อติดตั้งโปรแกรม Mosquitto Clients สำหรับ Linux / Ubuntu เพื่อใช้คำสั่งแบบ Command Line เช่น mosquitto_pub และ mosquitto_sub

$ sudo apt install mosquitto-clients -y

ทำคำสั่งเพื่อรอรับข้อความจากโบรกเกอร์ (localhost)

$ mosquitto_sub -h localhost -p 1883 \
  -u 'iot' -P 'mqtt' -t 'test/1234/#'

ในอีกหน้าต่าง Terminal ทำคำสั่งต่อไปนี้ เพื่อลองส่งข้อความไปยัง Mosquitto MQTT Broker (localhost) ลองส่งข้อความหลาย ๆ ครั้ง

$ mosquitto_pub -h localhost -p 1883 \
  -u 'iot' -P 'mqtt' -t 'test/1234/msg' -m 'hello'

ให้สังเกตว่า จะต้องมีการระบุชื่อผู้ใช้และรหัสผ่านตามที่ได้เคยสร้างไว้เป็นตัวอย่าง คือ iot : mqtt หากไม่ระบุ หรือไม่ถูกต้อง จะถูกปฏิเสธการเชื่อมต่อจากโบรกเกอร์

รูป: สาธิตการสมัครรับข้อความและส่งข้อความไปยังโบรกเกอร์

ถ้าทราบหมายเลขไอซีของ MQTT Broker ก็สามารถใช้คำสั่ง mosquitto_pub ส่งข้อความไปยังโบรกเกอร์ได้ จากเครื่องคอมพิวเตอร์อื่นที่เป็น Linux ในระบบเครือข่ายเดียวกัน (ในตัวอย่างนี้ 192.168.98.227 เป็นหมายเลขไอพีของบอร์ด Raspberry Pi ที่ทำหน้าที่เป็นโบรกเกอร์สำหรับ MQTT) เช่น

# specify the IP address of the MQTT broker
$ export MQTT_SERVER="192.168.98.227"

# publish a message to the MQTT broker
$ mosquitto_pub -h $MQTT_SERVER -p 1883 \
  -u 'iot' -P 'mqtt' -t 'test/1234/msg' -m 'hello'

▷ การติดตั้ง MQTT Broker สำหรับ VirtualBox Ubuntu#

ถัดไปเป็นการทดลองใช้งาน Mosquitto MQTT Broker สำหรับระบบปฏิบัติการ Ubuntu 22.04 LTS (VirtualBox VM) ซึ่งมีขั้นตอนการติดตั้ง Mosquitto เหมือนกรณีที่ใช้งานบอร์ด Raspberry Pi + Raspbery Pi OS (64-bit)

Ubuntu VM ทำงานได้โดยใช้ซอฟต์แวร์ Oracle VirtualBox ในเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ใช้ระบบปฏิบัติการ Windows 10 (64-bit)

แนะนำให้ตั้งค่า Network สำหรับ Ubuntu VM โดยเปลี่ยนจาก NAT (Network Address Translation) มาเป็น Bridged Adapter

รูป: การติดตั้งและเปิดใช้งาน Ubuntu 22.04 LTS Desktop โดยใช้ Oracle VirtualBox (on Windows)

รูป: เลือกการตั้งค่าสำหรับ Network เป็น Bridged Adapter

รูป: ในตัวอย่างนี้ คอมพิวเตอร์ที่เป็น Host OS เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตโดยใช้ Wireless LAN adapter Wi-Fi

ลองทำคำสั่งต่อไปนี้ เพื่อดูสถานะการทำงานของ Mosquitto Broker ใน Ubuntu VM

$ sudo systemctl status mosquitto

รูป: ทำคำสั่ง mosquitto_sub ใน Ubuntu VM (มีหมายเลขไอพีเป็น 192.168.98.8 ตามตัวอย่าง) เพื่อรอรับข้อความจากโบรกเกอร์ในเครื่องคอมพิวเตอร์เดียวกัน

รูป: Ubuntu VM ได้มีการติดตั้ง Mosquitto Broker และเปิดใช้งานพอร์ต 1883

ถัดไปเป็นการเปิดใช้งาน WSL2 - Ubuntu 22.04 LTS (มีหมายเลขไอพีเป็น 172.20.230.173 ตามตัวอย่าง) ในเครื่องคอมพิวเตอร์เดียวกัน และทำคำสั่งเพื่อส่งข้อความหลายครั้ง ไปยังโบรกเกอร์ที่ทำงานอยู่ใน Ubuntu VM ซึ่งมีหมายเลขไอพี 192.168.98.8 ในตัวอย่างนี้) หรือจะลองทำคำสั่งจากบอร์ด Raspberry Pi ก็ได้หากอยู่ในเครือข่ายเดียวกัน

MQTT_BROKER=192.168.98.8 ; \
for i in $(seq 1 10) ; do \
 mosquitto_pub -h $MQTT_BROKER -p 1883 \
 -t 'test/1234/msg' -m "hello-$i" ; sleep 1.0; done

รูป: การทำคำสั่งใน WSL2 - Ubuntu 22.04 LTS เพื่อส่งข้อความไปยังโบรกเกอร์ ใน Ubuntu VM ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์เดียวกัน

▷ การใช้งาน MQTT ร่วมกับ TLS Certificates#

ถัดไปเป็นขั้นตอนการทำให้ Mosquitto MQTT Broker ที่ทำงานอยู่บนบอร์ด Raspberry Pi รองรับการใช้งานพอร์ต 8883 (TLS Authentication & Data Encryption)

อุปกรณ์ในการทดสอบ

คอมพิวเตอร์ Windows 10 ของผู้ใช้งาน เชื่อมต่อกับ WiFi HotSpot ได้หมายเลขไอพี 192.168.98.133
- ติดตั้ง VirtualBox VM และรัน Ubuntu 22.04 LTS ได้หมายเลขไอพี 192.168.98.8 (ตั้งค่าใช้งาน Network Adapter เป็นแบบ Bridged ดังนั้นจึงได้หมายเลขไอพีจาก WiFi HotSpot ในเครือข่ายเดียวกับเครื่องของผู้ใช้งาน) และมีการตั้งชื่อเครื่อง Ubunntu VM เป็น "ubuntu-VirtualBox.local"
บอร์ด Raspberry Pi 4 Model B เชื่อมต่อกับ WiFi HotSpot ได้หมายเลขไอพี 192.168.98.227 และตั้งชื่อเครื่่องเป็น "iot-rpi.local"

ขั้นตอนการดำเนินการ

สร้าง CA (Certificate Authority) แบบ Self-Signed ด้วยคำสั่ง openssl ในระบบของ Raspberry Pi (ใช้ชื่อเครื่องคอมพิวเตอร์เป็น iot-rpi.local) ซึ่งจะได้ไฟล์ต่อไปนี้
- ca.key เป็นไฟล์รหัสกุญแจแบบ RSA Key Pair และต้องเก็บเป็นความลับ มีการเข้ารหัสป้องกันด้วย
- ca.crt เป็นไฟล์ที่เรียกว่า CA Certificate
สร้างไฟล์ Server Digital Certificate เพื่อใช้งานกับ MQTT Broker (Raspberry Pi) โดยใช้คำสั่ง openssl และจะได้ไฟล์ต่อไปนี้
- server.key เป็นไฟล์รหัสกุญแจสำหรับเครื่องเซิร์ฟเวอร์
- server.csr เป็นไฟล์ที่เรียกว่า Certificate Signing Request สำหรับเซิร์ฟเวอร์ เพื่อนำไปตรวจสอบและลงนามด้วย CA ที่ได้จากขั้นตอนที่ 1
- server.crt เป็นไฟล์ Server Certificate ที่ได้จากการลงนามแล้วด้วย CA
สร้างไฟล์ Client Digital Certificate เพื่อใช้งานกับ MQTT Broker โดยใช้คำสั่ง openssl และจะได้ไฟล์ต่อไปนี้
- client.key เป็นไฟล์รหัสกุญแจสำหรับเครื่องไคลเอนต์
- client.csr เป็นไฟล์ที่เรียกว่า Certificate Signing Request สำหรับไคลเอนต์ เพื่อนำไปตรวจสอบและลงนามด้วย CA ที่ได้จากขั้นตอนที่ 1
- client.crt เป็นไฟล์ Client Certificate ที่ได้จากการลงนามแล้วด้วย CA
ตั้งค่าการใช้งานสำหรับ Mosquitto โดยเปิดใช้งานพอร์ต 8883
เริ่มต้นการทำงานของ Mosquitto ใหม่อีกครั้ง และตรวจสอบสถานะการทำงาน
ทดลองรับหรือส่งข้อความไปยังโบรกเกอร์

คำสั่งสำหรับขั้นตอนที่ 1

# Step 1)
# Create CA key (ca.key) and CA certificate (ca.crt).
$ openssl req -new -x509 -days 365 -extensions v3_ca \
  -subj '/C=TH/L=Bangkok/CN=iot-kmutnb.github.io' \
  -keyout ca.key -out ca.crt

# Copy the ca.crt file to the mosquitto folder for CA certificates.
$ sudo cp ca.crt /etc/mosquitto/ca_certificates/

คำสั่งสำหรับขั้นตอนที่ 2

# Step 2)
# Generate a server key file (server.key)
$ openssl genrsa -out server.key 2048

# Generate the CSR file (server.csr) for server
$ openssl req -new \
  -out server.csr -key server.key \
  -subj '/C=TH/L=Bangkok/OU=server/CN=iot-rpi.local'

# Verify/sign the CSR file (server.csr) and
# Generate the Server cerfiticate file (server.crt)
$ openssl x509 -req -days 365 \
  -CA ca.crt -CAkey ca.key \
  -CAcreateserial -in server.csr -out server.crt \
  -extfile <(printf "subjectAltName=DNS:iot-rpi.local")

# Verify and check the ca.crt and server.crt files
$ openssl verify -CAfile ca.crt ca.crt server.crt

# Copy the server.crt and server.key files 
# to the mosquitto folder for server certificates.
$ sudo cp server.crt server.key /etc/mosquitto/certs/

# Change the owner of the mosquitto folder 
$ sudo chown -R mosquitto:root /etc/mosquitto

รูป: ตัวอย่างการทำคำสั่งในขั้นตอนที่ 1 และ 2

คำสั่งสำหรับขั้นตอนที่ 3

Step 3)
# Generate a client key file (client.key)
$ openssl genrsa -out client.key 2048

# Generate a CSR file for client
$ openssl req -new -out client.csr -key client.key \
 -subj "/C=TH/ST=Bangkok/OU=client/CN=raspberrypi"

# Verify/sign the CSR and generate the client.crt file
$ openssl x509 -req -in client.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key \
  -CAcreateserial -out client.crt -days 365

# Verify and check the ca.crt and client.crt files
$ openssl verify -CAfile ca.crt ca.crt client.crt

รูป: ตัวอย่างการทำคำสั่งในขั้นตอนที่ 3

คำสั่งสำหรับขั้นตอนที่ 4

# Step 4)
$ sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf

แก้ไขไฟล์ตามตัวอย่างต่อไปนี้ และบันทึกการแก้ไข

pid_file /run/mosquitto/mosquitto.pid

persistence true
persistence_location /var/lib/mosquitto/

log_dest file /var/log/mosquitto/mosquitto.log

per_listener_settings true

include_dir /etc/mosquitto/conf.d

$ sudo nano /etc/mosquitto/conf.d/custom.conf

แก้ไขไฟล์ตามตัวอย่างต่อไปนี้ และบันทึกการแก้ไข

# MQTT listener (unauthorized - not encrypted)
listener 1883
protocol mqtt
allow_anonymous true

# Certificate listener
listener 8883
protocol mqtt
cafile   /etc/mosquitto/ca_certificates/ca.crt
certfile /etc/mosquitto/certs/server.crt
keyfile  /etc/mosquitto/certs/server.key
tls_version tlsv1.2
require_certificate true
allow_anonymous true

คำสั่งสำหรับขั้นตอนที่ 5

# Step 5)
# restart the Mosquitto broker on iot-rpi.local
$ sudo systemctl restart mosquitto
# show the status of the Mosquito broker
$ sudo systemctl status mosquitto

รูป: ตัวอย่างการทำคำสั่งในขั้นตอนที่ 5

คำสั่งสำหรับขั้นตอนที่ 6

คำสั่งสมัครรับข้อความจากโบรกเกอร์

mosquitto_sub -d -h iot-rpi.local -p 8883 \
--cafile ca.crt --key client.key --cert client.crt \
--tls-version tlsv1.2 -t "test/1234/#"

คำสั่งส่งข้อความไปยังโบรกเกอร์

mosquitto_pub -d -h iot-rpi.local -p 8883 \
--cafile ca.crt --key client.key --cert client.crt \
--tls-version tlsv1.2 -t "test/1234/msg" -m "hello"

รูป: ตัวอย่างการทำคำสั่งในขั้นตอนที่ 6

จากตัวอย่างการทำคำสั่งจะเห็นได้ว่า ต้องใช้ไฟล์ 3 ไฟล์ ได้แก่

ca.crt เป็นไฟล์ CA Certificate (Self-signed)
client.key เป็นไฟล์กุญแจในการเข้ารหัส
client.crt เป็นไฟล์ Digital Certificate สำหรับ MQTT Client ซึ่งมีการตรวจสอบและลงนามด้วยไฟล์ CA Certificate

ถ้าต้องการจะใช้เครื่องคอมพิวเตอร์อื่นในระบบเครือข่ายเดียวกัน เพื่อทำงานเป็น MQTT Client และเชื่อมต่อกับบอร์ด Raspberry Pi / MQTT Broker พอร์ต 8883 จะมีขั้นตอนดังนี้

ให้ทำขั้นตอนที่ 3 ในคอมพิวเตอร์เครื่องอื่น (เช่น Ubuntu VirtualBox) โดยสร้างไฟล์ client.key และ client.csr ตามลำดับ
เมื่อได้ไฟล์ client.csr แล้ว จะต้องนำไฟล์นี้ ไปตรวจสอบและลงนามโดย CA ที่ได้จากขั้นตอนที่ 1 ซึ่งจะต้องใช้ไฟล์ ca.crt และ ca.keyแล้วจึงจะได้ไฟล์ client.crt เพื่อนำไปใช้งาน
ไคลเอนต์จะต้องใช้ไฟล์ 3 ไฟล์คือ ca.crt client.crt และ client.crt เมื่อต้องการเชื่อมต่อกับโบรกเกอร์โดยใช้ MQTT - TLS Authentication / Encryption

รูป: ตัวอย่างการทำคำสั่ง mosquitto_pub จาก Ubuntu VirtualBox ที่อยู่ในเครือข่ายเดียวกันและสามารถเชื่อมต่อกับ Raspberry Pi / MQTT Broker พอร์ต 8883 ได้

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้สาธิตการติดตั้ง Mosquitto - MQTT Broker สำหรับระบบปฏิบัติการ Linux เช่น Raspberry Pi OS และ Ubuntu 22.04 LTS และทดสอบการทำงานโดยทำคำสั่งเพื่อสมัครรับข้อความ และส่งข้อความไปยังโบรกเกอร์

อ่านเนื้อหา ตอนที่ 3 | ตอนที่ 5

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2022-09-17 | Last Updated: 2022-09-18

Keys	Action
`?`	Open this help
`n`	Next page
`p`	Previous page
`s`	Search