網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：MQTT的報(bào)文格式解析

在上一篇文章，直接在本地搭建了服務(wù)器和客戶端，簡(jiǎn)單的實(shí)踐了MQTT的用法。而這一篇來解析MQTT的報(bào)文格式。MQTT的報(bào)文字段很精簡(jiǎn)。但是解析起來還是有些復(fù)雜的。

解析報(bào)文最好的工具是采用wireshark抓包，不過我發(fā)現(xiàn)，wireshark的2.xxx的版本無法進(jìn)行回環(huán)抓包（即無法抓取127.0.0.1的數(shù)據(jù)報(bào)文）。通過一番度娘，發(fā)現(xiàn)新版本的wireshark用Npcap替換WinPcap，Npcap是基于WinPcap 4.1.3開發(fā)的，api兼容WinPcap。

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MQTT報(bào)文

MQTT報(bào)文格式

MQTT的報(bào)文字段主要包含3部分，如下表：

MQTT固定報(bào)文頭[Fixed header]

每個(gè)MQTT報(bào)文都包含一個(gè)固定報(bào)文頭，固定報(bào)文頭部格式如下：

bit76543210 +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+ |Byte1|MQTT控制報(bào)文類型|指定控制報(bào)文類型的標(biāo)志| +-----+-----------------------------------------------| |Byte2|剩余長(zhǎng)度| +-----+-----------------------------------------------| |...|剩余長(zhǎng)度| +-----------------------------------------------------|

MQTT控制報(bào)文類型

MQTT的控制報(bào)文類型在固定報(bào)文頭的第1個(gè)字節(jié)的4 ~ 7bit，共4位無符號(hào)值。這些值如下表描述：

MQTT控制報(bào)文標(biāo)志

MQTT的控制報(bào)文標(biāo)志在固定報(bào)文頭的第1個(gè)字節(jié)的4 ~ 7bit，包含每個(gè)MQTT報(bào)文類型的特定的標(biāo)志。

注意：如果接收方收到非法的標(biāo)志，接受者必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。標(biāo)志如下表：

其中：

DUP：控制報(bào)文的重復(fù)分發(fā)標(biāo)志

QoS：PUBLISH報(bào)文的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)

RETAIN：PUBLISH報(bào)文的保留標(biāo)志

MQTT報(bào)文剩余長(zhǎng)度

剩余長(zhǎng)度字段從固定報(bào)文頭的第2個(gè)字節(jié)開始，最長(zhǎng)可達(dá)4個(gè)字節(jié)，所以剩余長(zhǎng)度訪問是Byte[2 ~ 5]。

剩余長(zhǎng)度表示當(dāng)前報(bào)文剩余部分的字節(jié)數(shù)，包含可變頭部和Payload。

上面的描述，那么怎么確定其長(zhǎng)度用幾個(gè)字節(jié)來描述呢？答案：取決于字節(jié)的最高位Bit7（默認(rèn)都是在搞自己在前）；如果Bit7為1，那么需要繼續(xù)計(jì)算字節(jié)長(zhǎng)度，如果Bit7為0，那么不需要繼續(xù)計(jì)算字節(jié)長(zhǎng)度。

消息長(zhǎng)度可以簡(jiǎn)單理解為128禁止的數(shù)據(jù)，4位長(zhǎng)度最大可以表示：128 * 128 * 128 * 128 Byte = 256MB。

需注意計(jì)算規(guī)則，低位在前，高位在后，字節(jié)最高位Bit7標(biāo)記是否繼續(xù)計(jì)算消息長(zhǎng)度。其消息長(zhǎng)度范圍如下表：

舉例：

第一字節(jié)最高位是1，需要繼續(xù)向后計(jì)算，去掉標(biāo)記位(0xC1%128)，得到1000001=41

第二字節(jié)最高位是1，需要繼續(xù)向后計(jì)算，去掉標(biāo)記位(0xC2%128)，得到1000010=42

第三字節(jié)最高位是0，不需要向后計(jì)算，其結(jié)果就是0x33=51

因?yàn)榈臀辉谇?，高位在后，即消息長(zhǎng)度為：41 + 42 * 128 + 51 * 128 * 128=841001Byte = 821KB

0xC1 = 11000001

0xC2 = 11000010

0x33 = 00110011

消息長(zhǎng)度是0x60，其二進(jìn)制是01100000b，字節(jié)最高位Bit7位0，所以不需要往后計(jì)算，其十進(jìn)制是96（即消息長(zhǎng)度為96個(gè)字節(jié)）。

消息長(zhǎng)度是0xC1, 0xC2, 0x33。分別二進(jìn)制為：

MQTT可變報(bào)文頭[Variable header]

在某些MQTT控制報(bào)文包含了一個(gè)可變報(bào)文頭部分，它在固定報(bào)文頭和payload之間，可變報(bào)頭的內(nèi)容根據(jù)報(bào)文類型的不同而不同，可變報(bào)頭的報(bào)文標(biāo)識(shí)符（Packet Identifier）字段存在與多個(gè)類型的報(bào)文里?？勺儓?bào)頭其實(shí)就是MQTT開發(fā)中使用的Packet ID,通過Packet ID 進(jìn)行一些操作確認(rèn)。包含Packet ID的報(bào)文類型如下：

Packet ID默認(rèn)是從1開始并自增，如果一個(gè)Packet ID被用完后，這個(gè)Packet ID可以被重用。對(duì)于PUBLISH(QoS 1)來說，如果發(fā)送端接收到PUBACK，那么這個(gè)Packet ID就用完了。對(duì)于PUBLISH(QoS 2)，如果接收方收到PUBCOMP，那么這個(gè)Packet ID就用完了。對(duì)于SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE，Packet ID使用完成的標(biāo)記是發(fā)送方收到了對(duì)應(yīng)的SUBACK和UNSUBACK。

MQTT數(shù)據(jù)段[Payload]

MQTT中有些報(bào)文類型是包含Payload

如PUBLISH的Payload指消息內(nèi)容。

如CONNECT的Payload指Client Identifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息

包含Payload的報(bào)文類型如下：

通過wireshark分析MQTT報(bào)文

因?yàn)槲覀兊姆?wù)器和客戶端是在PC上搭建的，所以需要通過wireshark的回環(huán)抓包，來分析報(bào)文類型CONNECT和CONNACK。

打開wireshark，選擇進(jìn)行回環(huán)抓包

使用MQTT.fx創(chuàng)建一個(gè)客戶端，點(diǎn)擊連接，便可以抓到CONNECT和CONNACK的報(bào)文。

紅色圈子的報(bào)文類型CONNECT的內(nèi)容：

內(nèi)容： 1025 00044d515454 04 c2 003c 0008636c69656e743031 000561646d696e 00083132333435363738

報(bào)文類型CONNECT內(nèi)容分析：

0x10：高四位0001，代表報(bào)文類型：CONNECT。

0x25：二進(jìn)制-0010 0101，Bit7為0，所以剩余長(zhǎng)度只有一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，即0x25十進(jìn)制：37個(gè)字節(jié)

0x00 0x04 0x4d 0x51 0x54 0x54：其中-0x00，0x04表示協(xié)議長(zhǎng)度；0x4d 0x51 0x54 0x54對(duì)應(yīng) "M", "Q", "T", "T"。

0x04：代表MQTT版本號(hào)：v3.1.1

0xc2: 次字節(jié)含義如下表，該字節(jié)描述緊跟數(shù)據(jù)有 User Name、Password，沒有遺囑設(shè)置，選擇了清理會(huì)話方式與服務(wù)器連接。

00 3c：對(duì)應(yīng)十進(jìn)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(gè)控制報(bào)文的時(shí)刻到發(fā)送下一個(gè)報(bào)文的時(shí)刻，兩者之間允許空閑的最大時(shí)間間隔。客戶端負(fù)責(zé)保證控制報(bào)文發(fā)送的時(shí)間間隔不超過保持連接的值。如果沒有任何其它的控制報(bào)文可以發(fā)送，客戶端 必須發(fā)送一個(gè)PINGREQ 報(bào)文。客戶端隨時(shí)可以發(fā)送ping指令，服務(wù)器如果發(fā)現(xiàn)在KeepAalive時(shí)間內(nèi)沒有收到客戶端的消息，會(huì)自動(dòng)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(zhǎng)度8個(gè)字節(jié)；0x63，0x6c，0x69，0x65，0x6e，0x74，0x30，0x31：代表client01。即是我們?cè)贛QTT.fx創(chuàng)建客戶端的時(shí)候設(shè)置clientID。

00 05 61 64 6d 69 6e：其中-0x00，0x05表示User Name的的長(zhǎng)度5個(gè)字節(jié)；0x61，0x64，0x6d，0x69，0x6e：代表User Name為admin，即是我們?cè)贛QTT.fx創(chuàng)建客戶端的時(shí)候設(shè)置User Name。

00 08 31 32 33 34 35 36 37 38：其中-0x00，0x08表示User Name的的長(zhǎng)度8個(gè)字節(jié)；0x31，0x32，0x33，0x34，0x35，0x36，0x37，0x38：代表Password為12345678，即是我們?cè)贛QTT.fx創(chuàng)建客戶端的時(shí)候設(shè)置Password。

紅色圈子的報(bào)文類型CONNACK的內(nèi)容：

內(nèi)容： 20 02 00 00

報(bào)文類型CONACK內(nèi)容分析：

20：高四位0010，代表報(bào)文類型：CONNACK。

02：二進(jìn)制-0000 0010，Bit為0，所以剩余長(zhǎng)度只有一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，即0x02十進(jìn)制：2個(gè)字節(jié)。

00：可變頭部的第一個(gè)字節(jié)的第0位連接確認(rèn)。

00：可變頭部的第二個(gè)字節(jié)。

原文標(biāo)題：教你動(dòng)手寫網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧-MQTT報(bào)文解析6-解析

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