【1】MQTT协议介绍
MQTT是一种轻量级的通信协议,适用于物联网(IoT)和低带宽网络环境。它基于一种“发布/订阅”模式,其中设备发送数据(也称为 “发布”)到经纪人(称为MQTT代理),这些数据被存储,并在需要时被转发给订阅者。这种方式简化了网络管理,允许多个设备在不同的网络条件下进行通信(包括延迟和带宽限制),并支持实时数据更新。它是开放的,可免费使用并易于实施。
【2】MQTT协议报文字段介绍
MQTT协议报文由两部分组成:固定报头和可变报头。
固定报头的格式是统一的,其中包括了报文类型和剩余长度两个字段。
可变报头的格式取决于报文类型。
下面是MQTT协议中各个报文类型的可变报头字段说明。
(1)CONNECT:MQTT连接请求报文
CONNECT报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节(即报文类型和标志位的组合)为0x10,表示这是一个CONNECT报文。
可变报头包括了以下字段:
- 协议名(Protocol Name):用于标识MQTT协议的名称,固定为字符串"MQTT";
- 协议级别(Protocol Level):用于标识所使用的MQTT协议的版本号,一般情况下为4;
- 连接标志(Connect Flags):用于设置各种连接选项,其中包括:
- 用户名/密码(Username/Password):用于对连接进行身份验证;
- 清理会话(Clean Session):表示客户端需要清除服务器上旧的Session信息;
- 遗嘱标志(Will Flag):表示客户端是否需要在与服务器的连接意外断开时发送遗嘱信息;
- 遗嘱QoS(Will QoS):用于设置遗嘱消息的服务质量等级;
- 遗嘱保留(Will Retain):表示遗嘱消息是否需要被服务器保留;
- 用户名标志(Username Flag):表示客户端是否需要发送用户名字段;
- 密码标志(Password Flag):表示客户端是否需要发送密码字段。
- 保持连接(Keep Alive):用于设置心跳包的发送间隔时间,以便客户端和服务器之间保持连接。
(2)CONNACK:MQTT连接响应报文
CONNACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x20,表示这是一个CONNACK报文。
可变报头包括了以下字段:
- 连接应答(Connect Acknowledgment):用于表示连接是否成功,一般为0表示成功,其他值表示失败;
- 保留标志(Reserved Flag):保留字段,必须为0。
(3)PUBLISH:MQTT发布消息报文
PUBLISH报文包括固定报头和可变报头两部分,以及消息体。其中,固定报头的第一个字节由报文类型和QoS级别组合而成,QoS级别可以为0、1或2。
可变报头包括了以下字段:
- 主题名(Topic Name):用于标识消息的主题;
- 报文标识符(Packet Identifier):用于在QoS级别为1或2时确认消息分发的情况,如果为0则表示QoS级别为0。
消息体包括了要发布的消息内容。
(4)PUBACK:MQTT发布确认报文
PUBACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x40,表示这是一个PUBACK报文。
可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为1的发布消息。
(5)PUBREC:MQTT发布接收报文
PUBREC报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x50,表示这是一个PUBREC报文。
可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为2的发布消息。
(6)PUBREL:MQTT发布释放报文
PUBREL报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x62,表示这是一个PUBREL报文。
可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为2的发布消息。
(7)PUBCOMP:MQTT发布完成报文
PUBCOMP报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x70,表示这是一个PUBCOMP报文。
可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为2的发布消息。
(8)SUBSCRIBE:MQTT订阅请求报文
SUBSCRIBE报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x82,表示这是一个SUBSCRIBE报文。
可变报头包括了以下字段:
- 报文标识符(Packet Identifier):用于确认订阅请求的情况;
- 订阅主题(Subscription Topic):用于设置订阅的主题;
- 服务质量等级(QoS Level):用于设置订阅请求使用的服务质量等级,可以为0、1或2。
(9)SUBACK:MQTT订阅确认报文
SUBACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x90,表示这是一个SUBACK报文。
可变报头包括了以下字段:
- 报文标识符(Packet Identifier):用于确认订阅请求的情况;
- 订阅确认等级(Subscription Acknowledgment):用于确认订阅请求的服务质量等级,可以为0、1或2。
(10)UNSUBSCRIBE:MQTT取消订阅报文
UNSUBSCRIBE报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xA2,表示这是一个UNSUBSCRIBE报文。
可变报头包括了以下字段:
- 报文标识符(Packet Identifier):用于确认取消订阅请求的情况;
- 订阅主题(Subscription Topic):用于设置要取消订阅的主题。
(11)UNSUBACK:MQTT取消订阅确认报文
UNSUBACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xB0,表示这是一个UNSUBACK报文。
可变报头仅包含报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认取消订阅请求。
(12)PINGREQ:MQTT心跳请求报文
PINGREQ报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xC0,表示这是一个PINGREQ报文。
PINGREQ报文不包含可变报头字段。
(13)PINGRESP:MQTT心跳响应报文
PINGRESP报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xD0,表示这是一个PINGRESP报文。
PINGRESP报文不包含可变报头字段。
(14)DISCONNECT:MQTT断开连接报文
DISCONNECT报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xE0,表示这是一个DISCONNECT报文。
DISCONNECT报文不包含可变报头字段。
【3】封装MQTT协议
这是一个使用C语言在Linux下建立TCP通信并发送MQTT报文的例子。 根据MQTT报文自己封装协议。
cpp
#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<sys/socket.h>#include<arpa/inet.h>#include<unistd.h> // 定义MQTT报文类型#define MQTT_CONNECT 0x10#define MQTT_CONNACK 0x20#define MQTT_PUBLISH 0x30#define MQTT_PUBACK 0x40#define MQTT_SUBSCRIBE 0x80#define MQTT_SUBACK 0x90#define MQTT_UNSUBSCRIBE 0xA0#define MQTT_UNSUBACK 0xB0#define MQTT_PINGREQ 0xC0#define MQTT_PINGRESP 0xD0#define MQTT_DISCONNECT 0xE0 // 定义MQTT连接标志#define MQTT_CONNECT_FLAG_CLEAN 0x02#define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL 0x04#define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_QOS0 0x00#define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_QOS1 0x08#define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_QOS2 0x10#define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_RETAIN 0x20#define MQTT_CONNECT_FLAG_PASSWORD 0x40#define MQTT_CONNECT_FLAG_USERNAME 0x80 // 定义MQTT报文结构体typedefstructmqtt_packet { unsignedchar *data; unsignedint length; }mqtt_packet_t; // 建立socket连接并返回socket文件描述符intsocket_connect(char *address, int port) { structsockaddr_in server_address; int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (socket_fd == -1) { printf("Failed to create socket!\n"); return-1; } server_address.sin_family = AF_INET; server_address.sin_port = htons(port); if ((inet_pton(AF_INET, address, &server_address.sin_addr)) <= 0) { printf("Invalid address/ Address not supported\n"); return-1; } if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) < 0) { printf("Connection Failed!\n"); return-1; } return socket_fd; }// 打包MQTT连接报文 mqtt_packet_t *mqtt_connect(char *client_id, char *username, char *password) { mqtt_packet_t *packet = (mqtt_packet_t *)malloc(sizeof(mqtt_packet_t)); unsignedchar *data = (unsignedchar *)malloc(256); unsignedint length = 0; // 固定报头 data[length++] = MQTT_CONNECT; // 可变报头 data[length++] = 0x0C; // 清理会话标志和协议版本号 data[length++] = 'M'; data[length++] = 'Q'; data[length++] = 'T'; data[length++] = 'T'; data[length++] = 0x04; // 协议版本号 // 连接标志 unsignedchar flags = MQTT_CONNECT_FLAG_CLEAN; if (username != NULL) { flags |= MQTT_CONNECT_FLAG_USERNAME; } if (password != NULL) { flags |= MQTT_CONNECT_FLAG_PASSWORD; } data[length++] = flags; data[length++] = 0xFF; // 保持连接时间低8位 data[length++] = 0xFF; // 保持连接时间高8位 // 剩余长度 unsignedchar remaining_length = length - 1; data[remaining_length++] = (unsignedchar)(length - 2); packet->data = data; packet->length = length; return packet; }// 发送MQTT报文 voidmqtt_send(int socket_fd, mqtt_packet_t *packet) { if (send(socket_fd, packet->data, packet->length, 0) < 0) { printf("Failed to send message!\n"); } }// 接收MQTT报文intmqtt_recv(int socket_fd, mqtt_packet_t *packet) { unsignedchar header[2]; if (recv(socket_fd, header, 2, 0) != 2) { printf("Failed to receive message header!\n"); return-1 } unsignedint remaining_length = 0; unsignedint multiplier = 1; int i = 1; do { if (recv(socket_fd, &header[i], 1, 0) != 1) { printf("Failed to receive remaining_length byte %d!\n", i); return-1; } remaining_length += (header[i] & 127) * multiplier; multiplier *= 128; i++; } while ((header[i - 1] & 128) != 0); packet->length = remaining_length + i; packet->data = (unsignedchar *)malloc(packet->length); memcpy(packet->data, header, 2); if (recv(socket_fd, packet->data + 2, packet->length - 2, 0) != packet->length - 2) { printf("Failed to receive full message!\n"); return-1; } return0; } intmain(int argc, char *argv[]) { // 建立 TCP 连接 int socket_fd = socket_connect("test.mosquitto.org", 1883); if (socket_fd == -1) { printf("Failed to connect to MQTT server!\n"); return-1; } printf("Connected to MQTT server!\n"); // 打包并发送 MQTT 连接报文 mqtt_packet_t *connect_packet = mqtt_connect("test_client", NULL, NULL); mqtt_send(socket_fd, connect_packet); printf("Sent MQTT CONNECT packet!\n"); free(connect_packet->data); free(connect_packet); // 接收 MQTT CONNACK 报文 mqtt_packet_t *connack_packet = (mqtt_packet_t *)malloc(sizeof(mqtt_packet_t)); if (mqtt_recv(socket_fd, connack_packet) != 0) { printf("Failed to receive MQTT CONNACK packet!\n"); return-1; } if (connack_packet->data[1] != 0x00) { printf("MQTT server rejected connection!\n"); return-1; } printf("Received MQTT CONNACK packet!\n"); free(connack_packet->data); free(connack_packet); // 断开 TCP 连接 close(socket_fd); return 0; }