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MQTT協議探究（一）

本文轉載自   查看原文   2018-11-08 15:52   874    MQTT

1 准備階段

2 MQTT控制報文格式

2.1 MQTT控制報文結構

  • 固定報頭，所有控制報文都包含
  • 可變報頭，部分控制報文包含
  • 有效負載，部分控制報文包含

2.2 固定報頭

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
byte 1 MQTT 控制報文的類型 用於指定控制報文類型的標志符
byte 2 剩余長度（可變報頭長度 + 有效負載長度）
#### （1）MQTT控制報文的類型
  • 僅顯示部分，具體請參考協議，后面具體用到再說
名字 值 報文流動方向 描述
CONNECT 1 client -> server client 請求連接 server
CONNACK 2 server -> client 連接報文確認
PINGREQ 12 client -> server 心跳請求
PINGRESP 13 server -> client 心跳響應
DISCONNECT 14 client -> server 客戶端斷開連接

（2）標識符

控制報文 固定報文標志 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
CONNECT Reserved 0 0 0 0
CONNACK Reserved 0 0 0 0
PINGREQ Reserved 0 0 0 0
PINGRESP Reserved 0 0 0 0
DISCONNECT Reserved 0 0 0 0

（3）剩余長度

  • 表示當前報文剩余部分的字節數，包括可變報頭和負載的數據。
  • 它采用了可變長度的編碼方法。
  • 允許最大長度256M
字節數 最小值 最大值
1 0（0x00） 127（0x7F）
2 128（0x80,0x01） 16383（0xFF，0x7F）
3 16384（0x80，0x80，0x01） 2097151（0xFF，0xFF，0x7F）
4 2097152（0x80，0x80，0x80，0x01） 268435455（0xFF，0xFF，0xFF，0x7F）

2.3 可變報頭

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
byte 1 報文標識符 MSB
byte 2 報文標識符 LSB
| 控制報文 | 報文標識符字段 | | ---------- | -------------- | | CONNECT | 不需要 | | CONNACK | 不需要 | | PINGREQ | 不需要 | | PINGRESP | 不需要 | | DISCONNECT | 不需要 |

2.4 有效載荷

控制報文 有效載荷
CONNECT 需要
CONNACK 不需要
PINGREQ 不需要
PINGRESP 不需要
DISCONNECT 不需要

3 MQTT控制報文示例

3.1 CONNECT——連接服務器

（1）WireShark抓包獲取報文

MQ Telementry Transport Protocol, Connect Command 
	# 固定報頭（2~5個字節）
	Header Flags: 0x10 (Connect Command) # 固定報頭，1個字節
		0001 .... = Message Type: Connect Command(1) # 報文類型： CONNECT
		.... 0000 = Reserved: 0 # 保留
    Msg Len: 40 # 剩余長度,0x28，1個字節
   
    # 可變報頭，本例10個字節
    Protocol Name Length: 4 # 協議長度，0x0004，2個字節
    Protocol Name: MQTT # 協議名，MQTT(ASCII:0x4d515454)，4個字節
    Version: MQTT v3.1.1 (4) # 協議版本，0x04 1個字節
    Connect Flags: 0xC2 # 連接標志，1個字節，每一位代表不同的內容
        1... .... = User Name Flag: Set # 用戶名
        .1.. .... = Password Flag: Set # 密碼
        ..0. .... = Will Retain: Not Set # 遺囑保留
        ...0 0... = Qos Level: At most once deliver (Fire and Forget) (0) # Qos
        .... .0.. = Will Flag: Not Set # 遺囑
        .... ..1. = Clean Session Flag: Set # 清除會話
        .... ...0 = (Reserverd): Not Set # 固定為0
	Keep Alive: 60 # 保持連接，2個字節，0x003C
	
	# 有效載荷，本例30個字節
	Client ID Length: 14，# 2個字節，0x000e
	Client ID: MQTT_FX_client # 14個字節
	User Name Length: 5 # 2個字節，0x0005
	User Name: hello # 5個字節
	Password Length: 5 # 2個字節，0x0005
	Password: world # 5個字節

10 28 00 04 4d 51 54 54 04 c2 00 3c 00 0e 4d 51   .(..MQTT...<..MQ
54 54 5f 46 58 5f 43 6c 69 65 6e 74 00 05 68 65   TT_FX_Client..he
6c 6c 6f 00 05 77 6f 72 6c 64                     llo..world

（2）連接標志

  • 保留（第0位）：固定為0

  • 清理會話（第1位）設置為1，代表服務器不需要保存會話狀態，即丟棄會話並開始一個新的會話；如果為0，需要根據保存的會話狀態恢復當前會話。

    • 客戶端會話狀態：
      • 發送給Sever，但沒有完成確認的Qos1和Qos2的消息
      • 已經從接收，但沒有完成確認的Qos2的消息
    • 服務器會話狀態：
      • 會話是否存在
      • 客戶端的訂閱消息
      • 發送給Client，但沒有完成確認的Qos1和Qos2消息
      • 即將傳輸給Client的Qos1和Qos2消息
      • 從Client接收，但沒有完成確認的Qos2消息
      • 可選，准備發送給Client的Qos0消息

  • 遺囑標志（第2位）：設置為1時，CONNECT報文的有效在載荷中包含Will Topic和Will Message字段，如果連接請求成功，遺囑（Will Message）消息必須被存儲在服務端。之后網絡連接關閉時，服務端必須發布這個遺囑消息，除非服務端收到DISCONNECT報文時刪除了該遺囑消息。下面情況將發生發布遺囑消息：

    • Server檢測到一個I/O錯誤或者網絡故障
    • Client在Keep Alive時間內未能通信（既沒有發送PING）
    • Client沒有先DISCONNECT報文就直接關閉了網絡連接
    • 協議錯誤Server關閉了網絡連接

  • 遺囑Qos（第3 4位）：用於指定發布遺囑消息時的服務質量等級

    • 遺囑標志為0，遺囑Qos也必須為0。
    • 遺囑標志為1，遺囑Qos可以為任一服務質量等級。

  • 遺囑保留（第5位）：遺囑消息發布時是否需要保留。

  • 用戶名與密碼標志（第6 7位）如果為1，代表有效載荷中帶有用戶名和密碼，服務器可以獲取並進行驗證

（3）保持連接時間

  • 2個字節表示，以秒為單位，最大值為18小時12分15秒

  • 斷開情況：

    • Client發送PINGREQ，在合理時間內沒有回來則關閉到Server的網絡連接
    • Server在1.5 * 保持連接時間 內沒有收到Client的任意控制報文，它將斷開Client的網絡連接

  • 設置為0，代表Server需要因為Client的不活躍而斷開連接，但是Server仍然可以在需要的時候關閉連接。

（4）有效載荷

  • 客戶端標識符（Must）：長度 + 標識符（大小寫英文或數字），有效載荷的第一個字段，客戶端可以提供一個零字節的ClientId，但是Clean Seesion必需為1.
  • 遺囑主體（Option）：Will Topic
  • 遺囑消息（Option）：Will Message
  • 用戶名（Option）：Username
  • 密碼（Option）Password

（5）注意

MQTT Server允許Client發送完CONNECT就發送訂閱或者發布消息，不過如果驗證不通過，Server將關閉連接拒收后面的消息。

3.2 CONNACK——確認連接請求

（1）WireShark抓包獲取報文

MQ Telementry Transport Protocol, Connect Command 
	# 固定報頭（2~5個字節）
	Header Flags: 0x20 (Connect Ack) # 固定報頭，1個字節
		0010 .... = Message Type: Connect Ack (2) # 報文類型： CONNACK
		.... 0000 = Reserved: 0 # 保留
    Msg Len: 2 # 剩余長度,0x02，1個字節
    
    # 可變報頭
    Acknowledge Flags: 0x00 # 連接確認標志
    	0000 000. = Reserved: Not Set # 固定為0
    	.... ...0 = Session Present: Not Set # 當前會話標志
    Return Code: Connection Accepted (0) # 連接返回碼

（2）當前會話標志

  • 如果Server收到一個CleanSession為1的連接，CONNACK報文中的返回碼設置為0之外，還需要將CONNACK報文中的當前會話標志設置為0
  • 如果Server收到一個CleanSeesion為0的連接，當前會話標志的值取決於Server是否保存了ClientId對應客戶端的會話狀態。如果保存了，當前會話標志設置為1，否則為0。

（3）連接返回碼

值 返回碼響應 描述
0 0x00 連接已接收
1 0x01 不支持的協議版本
2 0x02 不合格的客戶端標識符（UTF-8編碼）
3 0x03 MQTT服務端不可用（TCP已連接）
4 0x04 無效的用戶名或密碼
5 0x05 未授權此客戶端
6-255 保留

3.3 PINGREQ——心跳請求

（1）WireShark抓包獲取報文

Header Flags: 0xC0 (Ping Request)  # 固定報頭
	1100 .... = Message Type: Ping Request (12)
	.... 0000 = Reserved: 0
Msg Len: 0

（2）作用

  • 在沒有任何其他控制報文發送給Server時，Client告知Server還活着
  • 請求Server發送響應確認Server是否活着
  • 使用網絡以確定網絡連接沒有斷開

3.4 PINGRESP——心跳響應

（1）WireShark抓包獲取報文

Header Flags: 0xD0 (Ping Response)  # 固定報頭
	1101 .... = Message Type: Ping Response(13)
	.... 0000 = Reserved: 0
Msg Len: 0

（2）作用

  • 告知Client，Server活着

3.5 DISCONNECT——斷開連接

（1）WireShark抓包獲取報文

Header Flags: 0xe0 (Disconnect)  # 固定報頭
	1110 .... = Message Type: Disconnect (14)
	.... 0000 = Reserved: 0
Msg Len: 0

（2）作用

  • 客戶端正常斷開連接

（3）響應

  • Client發送DISCONNECT報文后
    • 必需關閉網絡連接
    • 不能通過該連接繼續發送任何控制報文
  • Server收到DISCONNECT報文后
    • 必須丟棄任何與當前連接關聯的未發布的遺囑消息
    • 應該關閉網絡連接，如果客戶端還沒有這么做


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