教你動手寫網絡協議棧-MQTT報文解析6-解析

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概述

• 在上一篇文章，直接在本地搭建了服務器和客戶端，簡單的實踐了MQTT的用法。而這一篇來解析MQTT的報文格式。MQTT的報文字段很精簡。但是解析起來還是有些復雜的。
• 解析報文最好的工具是采用wireshark抓包，不過我發現，wireshark的2.xxx的版本無法進行回環抓包（即無法抓取127.0.0.1的數據報文）。通過一番度娘，發現新版本的wireshark用Npcap替換WinPcap，Npcap是基于WinPcap 4.1.3開發的，api兼容WinPcap。下載鏈接：https://www.wireshark.org/download.html
• MQTT的標準可以參考如下網站：
  http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html#_Toc398718030

MQTT報文

MQTT報文格式

• MQTT的報文字段主要包含3部分，如下表：

MQTT固定報文頭[Fixed header]

• 每個MQTT報文都包含一個固定報文頭，固定報文頭部格式如下：

  bit    7     6     5     4     3     2     1     0
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|Byte1|   MQTT控制報文類型    |指定控制報文類型的標志 |
+-----+-----------------------------------------------|
|Byte2|                   剩余長度                    |
+-----+-----------------------------------------------|
| ... |                   剩余長度                    |
+-----------------------------------------------------|

MQTT控制報文類型

• MQTT的控制報文類型在固定報文頭的第1個字節的4 ~ 7bit，共4位無符號值。這些值如下表描述：

MQTT控制報文標志

• MQTT的控制報文標志在固定報文頭的第1個字節的4 ~ 7bit，包含每個MQTT報文類型的特定的標志。
• 注意：如果接收方收到非法的標志，接受者必須關閉網絡連接。標志如下表：
• 其中：
• DUP：控制報文的重復分發標志
• QoS：PUBLISH報文的服務質量等級
• RETAIN：PUBLISH報文的保留標志

MQTT報文剩余長度

• 剩余長度字段從固定報文頭的第2個字節開始，最長可達4個字節，所以剩余長度訪問是Byte[2 ~ 5]。
• 剩余長度表示當前報文剩余部分的字節數，包含可變頭部和Payload。
• 上面的描述，那么怎么確定其長度用幾個字節來描述呢？答案：取決于字節的最高位Bit7（默認都是在搞自己在前）；如果Bit7為1，那么需要繼續計算字節長度，如果Bit7為0，那么不需要繼續計算字節長度。
• 消息長度可以簡單理解為128禁止的數據，4位長度最大可以表示：128 * 128 * 128 * 128 Byte = 256MB。
• 需注意計算規則，低位在前，高位在后，字節最高位Bit7標記是否繼續計算消息長度。其消息長度范圍如下表：

• 舉例：
• 第一字節最高位是1，需要繼續向后計算，去掉標記位(0xC1%128)，得到1000001=41
• 第二字節最高位是1，需要繼續向后計算，去掉標記位(0xC2%128)，得到1000010=42
• 第三字節最高位是0，不需要向后計算，其結果就是0x33=51
• 因為低位在前，高位在后，即消息長度為：41 + 42 * 128 + 51 * 128 * 128=841001Byte = 821KB
• 0xC1 = 11000001
• 0xC2 = 11000010
• 0x33 = 00110011

1. 消息長度是0x60，其二進制是01100000b，字節最高位Bit7位0，所以不需要往后計算，其十進制是96（即消息長度為96個字節）。
2. 消息長度是0xC1, 0xC2, 0x33。分別二進制為：

MQTT可變報文頭[Variable header]

• 在某些MQTT控制報文包含了一個可變報文頭部分，它在固定報文頭和payload之間，可變報頭的內容根據報文類型的不同而不同，可變報頭的報文標識符（Packet Identifier）字段存在與多個類型的報文里。可變報頭其實就是MQTT開發中使用的Packet ID,通過Packet ID 進行一些操作確認。包含Packet ID的報文類型如下：

• Packet ID默認是從1開始并自增，如果一個Packet ID被用完后，這個Packet ID可以被重用。對于PUBLISH(QoS 1)來說，如果發送端接收到PUBACK，那么這個Packet ID就用完了。對于PUBLISH(QoS 2)，如果接收方收到PUBCOMP，那么這個Packet ID就用完了。對于SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE，Packet ID使用完成的標記是發送方收到了對應的SUBACK和UNSUBACK。

MQTT數據段[Payload]

• MQTT中有些報文類型是包含Payload
• 如PUBLISH的Payload指消息內容。
• 如CONNECT的Payload指Client Identifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息
• 包含Payload的報文類型如下：

通過wireshark分析MQTT報文

• 因為我們的服務器和客戶端是在PC上搭建的，所以需要通過wireshark的回環抓包，來分析報文類型CONNECT和CONNACK。

1. 打開wireshark，選擇進行回環抓包

2. 使用MQTT.fx創建一個客戶端，點擊連接，便可以抓到CONNECT和CONNACK的報文。

3. 紅色圈子的報文類型CONNECT的內容：

內容：
10 25
00 04 4d 51 54 54
04
c2
00 3c
00 08 63 6c 69 65 6e 74 30 31
00 05 61 64 6d 69 6e
00 08 31 32 33 34 35 36 37 38

4. 報文類型CONNECT內容分析：

• 0x10：高四位0001，代表報文類型：CONNECT。
• 0x25：二進制-0010 0101，Bit7為0，所以剩余長度只有一個字節長，即0x25十進制：37個字節
• 0x00 0x04 0x4d 0x51 0x54 0x54：其中-0x00，0x04表示協議長度；0x4d 0x51 0x54 0x54對應 "M", "Q", "T", "T"。
• 0x04：代表MQTT版本號：v3.1.1
• 0xc2: 次字節含義如下表，該字節描述緊跟數據有 User Name、Password，沒有遺囑設置，選擇了清理會話方式與服務器連接。

• 00 3c：對應十進制為60，即保持連接(Keep Alive)60秒，以秒為單位，它是指在客戶端傳輸完成一個控制報文的時刻到發送下一個報文的時刻，兩者之間允許空閑的最大時間間隔。客戶端負責保證控制報文發送的時間間隔不超過保持連接的值。如果沒有任何其它的控制報文可以發送，客戶端 必須發送一個PINGREQ 報文。客戶端隨時可以發送ping指令，服務器如果發現在KeepAalive時間內沒有收到客戶端的消息，會自動斷開與客戶端建立的連接。
• 00 08 63 6c 69 65 6e 74 30 31：其中-0x00， 0x08表示clientID的長度8個字節；0x63，0x6c，0x69，0x65，0x6e，0x74，0x30，0x31：代表client01。即是我們在MQTT.fx創建客戶端的時候設置clientID。
• 00 05 61 64 6d 69 6e：其中-0x00，0x05表示User Name的的長度5個字節；0x61，0x64，0x6d，0x69，0x6e：代表User Name為admin， 即是我們在MQTT.fx創建客戶端的時候設置User Name。
• 00 08 31 32 33 34 35 36 37 38：其中-0x00，0x08表示User Name的的長度8個字節；0x31，0x32，0x33，0x34，0x35，0x36，0x37，0x38：代表Password為12345678， 即是我們在MQTT.fx創建客戶端的時候設置Password。

5. 紅色圈子的報文類型CONNACK的內容：

內容：
20
02
00
00

6. 報文類型CONACK內容分析：

• 20：高四位0010，代表報文類型：CONNACK。
• 02：二進制-0000 0010，Bit為0，所以剩余長度只有一個字節長，即0x02十進制：2個字節。
• 00：可變頭部的第一個字節的第0位連接確認。

• 00：可變頭部的第二個字節。

RT-Thread線下技術培訓：MQTT網關

本次培訓RT-Thread將以ART-Pi為硬件平臺+RT-Thread物聯網操作系統提供MQTT網關原型，希望幫助工程師快速熟悉基于RT-Thread的項目開發流程，熟悉MQTT網關開發中所涉及到的技術要點如Modbus、MQTT、連網、文件系統、FTP、Bootloader、OTA、裁剪優化，提升產品開發速度。

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