MQTT协议14种报文分析.docx
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MQTT协议14种报文分析
MQTT协议14种报文分析
实习报告
课程名称:
_____
实习题目:
___________________
专业班级:
_____________
学生姓名:
__________
学 号:
___________
实习成绩:
指导教师签名：
年月日
实习时间
实习地点
实习学时
实习
目的
学习MQTT协议，对各个MQTT报文进行协议分析。
学习java语言的socket编程基础，利用paho库实现MQTT客户端程序。
实习
内容
利用相关工具捕获MQTT协议的相关报文，
分析MQTT协议的14种报文。
学会直接构造MQTT报文，完成通信，并理解回调机制
实
习
要
求
记录MQTT实验过程、截图分析并说明
利用socket直接构造MQTT报文，完成与服务器进行通信，
实现连接服务器、订阅主题、发送消息等功能。
利用paho库实现MQTT客户端，实现所有功能，并理解回调机制
实习
主要
设施
设备
装有WiresharkPortable、paho、mosquitto、npcap、
jdk-8u112-windows-i586等程序的PC机一台
实
习
成
果
对MQTT协议有了一定的认识，知道如何分析各种报文。
对MQTT协议编程有了一定的基础和了解。
实习报告
1引言
1.1系统概述
MQTT协议的分析与编程实验
1.2需求分析
基于轻量级代理的发布/订阅协议，更为简约、轻量，易于使用，针对受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定），属于物联网的一个传输协议。
设计思想是开放、简单、轻量、易于实现。
1.3运行环境
装并打开mosquitto服务器；安装MQTT客户端EclipsePahoMQTT；安装npcap；安装WiresharkPortable协议分析软件；安装jdk；Window7系统。
构造服务器环境。
2协议分析实验
2.1实验准备
实验环境：
JDK环境
实验方法及步骤：
1.MQTT服务器端mosquitto
（1）下载并安装mosquitto
（2）确认安装完后，所有所有的程序都安装在这个目录下，C:
\ProgramFiles（x86）\mosquitto。
如果你不想在其他的操作系统上也执行安装程序，把C:
\ProgramFiles（x86）\mosquitto这个文件夹拷贝到任何路径
（3）进入d:
\mosquitto，输入下面的命令，
cdd:
\mosquitto
mosquitto-p1883-v
-p代表当前的mosquitto服务实例启动以后，其监听端口号，这个配置的覆盖[-cconfigfile]指定的配置文件中的端口
-v代码调试模式（verbose）可以输出更多的信息
2.MQTT客户端EclipsePahoMQTT
（1）下载解压缩后，双击paho.exe，打开后的对界面如下
（2）点击上图中的十字图标，就能新建一个MQTT的客户端的连接，输入正确的MQTT服务端的连接地址，
（3）这个时候我们就能订阅消息了。
选择“Subscription”下方的绿色十字图标，就可以输入订阅的主题（topic）的名字，比如我们设置主题名称为“test”，并点击“Subscribe”按钮
（4）往MQTT服务发送一条某一主题的MQTT消息。
然后点击“Publish”按钮，这个时候，我们就能看到消息已经发送成功，且在步骤（3）订阅的同一主题也收到了消息。
3.安装和使用协议分析软件wireshark
（1）安装WiresharkPortable_2.2.1.paf.exe
（2）捕获MQTT协议报文
（3）在Wireshark中，分为capturefilter和DisplayFiler，我们只需要在WireShark软件中的capturefilter输入下面的过滤条件，则与MQTT服务交互的相关TCP的数据包就能抓取到。
如下图所示意.
这个时候，我们先启动WireShark，然后点击EclipsePahoMQTT工具的“Connect”，这个时候WireShark就能抓取下面的TCP数据包。
2.2主要实验步骤
操作：
按照“MQTT-3.1.1-CN”文档各种报文的实现方法依次实现，抓包结果截图，结合参考文档分析实验结果。
结果：
如下各图所示
14种报文分析说明具体如下：
1.CONNECT–连接服务端
分析说明：
固定报头：
00010000其中MQTT报文控制类型0001，保留位0000
剩余长度字段：
为16进制的1c，表示剩余长度等于可变报头的长度（10字节）加上有效载荷的长度为28。
可变报头：
CONNECT报文的可变报头按下列次序包含四个字段：
协议名（ProtocolName），协议级别（ProtocolLevel），连接标志（ConnectFlags）和保持连接（KeepAlive）
协议名字节构成：
00044d515454，表示长度为4的“MQTT”协议名称
协议级别字节构成：
04，对于3.1.1版协议，协议级别字段的值是4（0x04）。
连接标志：
02，对应2进制00000010，服务端必须验证CONNECT控制报文的保留标志位（第0位）是否为0，如果不为0必须断开客户端连接。
清理会话位置为连接标志字节的第1位，清理会话标志被设置为1，客户端和服务端必须丢弃之前的任何会话并开始一个新的会话。
遗嘱标志位置为连接标志的第2位，遗嘱标志被设置为0，连接标志中的WillQoS和WillRetain字段必须设置为0，并且有效载荷中不能包含WillTopic和WillMessage字段，网络连接断开时，不能发送遗嘱消息。
遗嘱QoS位置为连接标志的第4和第3位。
这两位用于指定发布遗嘱消息时使用的服务质量等级，因为此例遗嘱标志位置被置0，所以0，遗嘱QoS也必须设置为0（0x00）
遗嘱保留位置为连接标志的第5位。
遗嘱标志被设置为0，遗嘱保留（WillRetain）标志也必须设置为0
用户名标志位置为连接标志的第7位。
此例用户名标志被设置为0，有效载荷中不能包含用户名字段
密码标志位置为连接标志的第6位。
因为此例用户名标志被设置为0，密码标志也必须设置为0
保持连接：
保持连接字节为003c，其中保持连接KeepAliveMSB为00，保持连接KeepAliveLSB为3c
有效载荷：
00107061686f38373232383535323139343，其中表示随后长度为16，此例有效载荷只有客户端标识符即paho872285521941
2.CONNACK–确认连接请求
3.PUBLISH-发布消息：
分析说明：
以Q0S=1为例：
固定报头：
00110010，其中MQTT报文控制类,0011，保留位0010，重发标志位置为第1个字节，第3位，DUP=0，表示这是客户端或服务端第一次请求发送这个PUBLISH报文。
服务质量等级位置为第1个字节，第2-1位，QoS=01，表示至少分发一次。
保留标志位置为第1个字节，第0位，例图中为0.
剩余长度字段：
为16进制的0a，表示可变报头的长度。
表示可变报头的长度加上有效载荷的长度为10.
可变报头：
为16进制的00033131300006313233，0003表示主题长度为3,313130即主题名110,0006为报文标识符，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的06，313233为发布内容123
有效载荷：
有效载荷包含将被发布的应用消息。
数据的内容和格式是应用特定的。
有效载荷的长度这样计算：
用固定报头中的剩余长度字段的值减去可变报头的长度。
包含零长度有效载荷的PUBLISH报文是合法的。
此例的有效载荷即为零长度。
4.PUBACK–发布确认
分析说明：
固定报头：
01000000，其中MQTT报文控制类,0100，保留位0000
剩余长度字段：
为16进制的02，表示可变报头的长度。
对PUBREL报文这个值等于2.
可变报头：
为16进制的0006，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的06
有效载荷：
PUBACK报文没有有效载荷。
5.PUBREC–发布收到QoS2第一步
分析说明：
固定报头：
01010000，其中MQTT报文控制类,0101，保留位0000
剩余长度字段：
为16进制的02，表示可变报头的长度。
对PUBREL报文这个值等于2.
可变报头：
为16进制的0007，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的07
有效载荷：
PUBREC报文没有有效载荷。
6.PUBREL–发布释放QoS2第二步
分析说明：
固定报头：
01100010，其中MQTT报文控制类,0110，保留位0010
剩余长度字段：
为16进制的02，表示可变报头的长度。
对PUBREL报文这个值等于2.
可变报头：
为16进制的0007，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的07
有效载荷：
PUBREL报文没有有效载荷。
7.PUBCOMP–发布完成QoS2第三步
分析说明：
固定报头：
01110000，其中MQTT报文控制类,0111，保留位0000
剩余长度字段：
为16进制的02，表示可变报头的长度，对PUBCOMP报文这个值等于2。
可变报头：
为16进制的0007，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的07
有效载荷：
PUBCOMP报文没有有效载荷。
8.SUBSCRIBE-订阅主题
分析说明：
固定报头：
10000010，其中MQTT报文控制类,1000，保留位0010
剩余字段长度：
为16进制的08，表示可变报头的长度（2字节）加上有效载荷的长度为8
可变报头：
为16进制的0001，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的01
有效载荷：
为16进制的000331313000，其中MSB为00，LSB为03，主题过滤为313130即110，00表示服务质量等级QoS为0。
9SUBACK–订阅确认
分析说明：
固定报头：
10010000，其中MQTT报文控制类,1001，保留位0000
剩余长度字段为16进制的03，表示可变报头的长度加上有效载荷的长度为3
可变报头：
为16进制的0001，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的01
有效载荷：
为16进制的00，对应2进制即为返回码00000000，返回码值为0x00-最大QoS0
10UNSUBSCRIBE–取消订阅
分析说明：
固定报头：
10100010其中MQTT报文控制类型1010，保留位0010
剩余长度字段为16进制的07，表示可变报头的长度加上有效载荷的长度为7
可变报头：
16进制的0002，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的02
有效载荷：
16进制的0003313130,其中0003表示想要取消订阅的主题长度为3，想要取消的主题为313130即110。
11UNSUBACK–取消订阅确认
分析说明：
固定报头：
10110000其中MQTT报文控制类型1011，保留位0000.
剩余长度字段为：
16进制的02，表示可变报头的长度，对UNSUBACK报文这个值等于2
可变报头：
16进制的0002，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的02
有效载荷：
UNSUBACK报文没有有效载荷。
12PINGREQ–心跳请求
分析说明：
固定报头：
11000000，其中MQTT报文控制类型1100，保留位00000
可变报头：
PINGREQ报文没有可变报头。
有效载荷：
PINGREQ报文没有有效载荷。
13PINGRESP–心跳响应
分析说明：
固定报头：
11010000，其中MQTT报文控制类,1101，保留位0000
可变报头：
PINGRESP报文没有可变报头。
有效载荷：
PINGRESP报文没有有效载荷。
14DISCONNECT–断开连接
分析说明：
固定报头：
11100000，其中MQTT报文控制类型1110，保留位0000
可变报头：
DISCONNECT报文没有可变报头。
有效载荷：
DISCONNECT报文没有有效载荷。
2.3思考与总结
1.说明paho和mosquitto的作用，它们与发布/订阅模式的关系。
Paho是MQTT服务器客户端，Mosquitto是MQTT服务器端，助paho和mosquitto均可作为MQTT服务器的实现,可实现发布/订阅模式
2.MQTT中变长字段有哪些？
接收端如何判断变长字段结束？
MQTT中变长字段有剩余长度，当剩余长度字段的标志位为0时表示变长字段结束。
3.构造、捕获并分析带有客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码的Connect消息。
分析说明：
固定报头：
00010000报文控制类型0001，保留位0000
剩余长度字段：
为16进制的32，表示剩余长度等于可变报头的长度（10字节）加上有效载荷的长度为50.
可变报头：
CONNECT报文的可变报头按下列次序包含四个字段：
协议名（ProtocolName），协议级别（ProtocolLevel），连接标志（ConnectFlags）和保持连接（KeepAlive）
协议名字节构成：
00044d515454，表示长度为4的“MQTT”协议名称
协议级别字节构成：
04，对于3.1.1版协议，协议级别字段的值是4（0x04）。
连接标志：
c6，对应2进制11000110，服务端必须验证CONNECT控制报文的保留标志位（第0位）是否为0，如果不为0必须断开客户端连接。
清理会话位置为连接标志字节的第1位，清理会话标志被设置为1，客户端和服务端必须丢弃之前的任何会话并开始一个新的会话。
遗嘱标志位置为连接标志的第2位，遗嘱标志被设置为1，表示如果连接请求被接受了，遗嘱（WillMessage）消息必须被存储在服务端并且与这个网络连接关联。
之后网络连接关闭时，服务端必须发布这个遗嘱消息，除非服务端收到DISCONNECT报文时删除了这个遗嘱消息。
且连接标志中的WillQoS和WillRetain字段会被服务端用到，同时有效载荷中必须包含WillTopic和WillMessage字段。
遗嘱QoS位置为连接标志的第4和第3位。
这两位用于指定发布遗嘱消息时使用的服务质量等级，因为此例遗嘱标志位置被置0，所以0，遗嘱QoS也必须设置为0（0x00）
遗嘱保留位置为连接标志的第5位。
此例遗嘱保留被设置为0且遗嘱标志被设置为1，服务端必须将遗嘱消息当作非保留消息发布。
用户名标志位置为连接标志的第7位。
此例用户名标志被设置为1，有效载荷中必须包含用户名字段。
密码标志位置为连接标志的第6位。
此例密码标志被设置为1，有效载荷中必须包含密码字段
保持连接：
保持连接字节为003c，其中保持连接KeepAliveMSB为00，保持连接KeepAliveLSB为3c
有效载荷：
00127061686f31303535343735353035373738300003313130000331313000033131300003313130，其中0012表示随后客户端标识符长18个字节即paho0554755057780，接着0003表示随后的遗嘱主题长3个字节即110，接着0003表示随后的遗嘱消息长3个字节即110，接着0003表示随后的用户名长3个字节即110，接着0003表示随后的密码长3个字节即110
4.构造、捕获并分析订阅多个不同Qos级别的主题Subscribe消息。
同时订阅QoS级别分别为0、1、2的消息。
1三种方式固定头部的前两个字节均为：
82表示为请求订阅；
②Qos表示字段仅仅跟着Topic字段之后，16进制代码为：
000110表示为012三种情况。
5.构造、捕获并分析长度大于127字节的报文。
①当出现大于127字节的报文时，会在PUBLISH后出现几个TCP报文；
②TCP报文的数据内筒不一样，但序号相同。
6.构造、捕获并分析Qos=1和Qos=2时丢包的处理情况。
以上是QoS=1
以上是QoS=2
7.学习3种QoS消息的特性，通过实验填写下表内容
发布消息的QoS
0
0
0
1
Topic订阅的QoS
0
1
2
0
接收消息的QoS
0
0
0
0
发布消息的QoS
1
1
2
2
2
Topic订阅的QoS
1
2
0
1
2
接收消息的QoS
1
1
0
1
2
3协议编程实验过程
3.1实验准备
实验环境：
JDK环境
实验方法及步骤：
1.安装JDk
2.安装eclipse
3.打开paho软件
4.在eclipse中调试JAVA软件
3.2主要实验步骤
1.安装JAVA编程环境
2.下载pahoMqttclient.Jar包
3.利用socke直接构造MQTT报文，完成与服务器进行通信，实现连接服务器、订阅主题、发送消息等功能。
4.利用paho库实现 MQTT客户端，实现所有功能，并理解回调机制。
5.结果
①作为客户端
②作为服务器端
回调机制：
SimpleMqttClient类实现MqttCallback接口
SimpleMqttClient类中包含一个MqttClient的引用myClient
MqttClient类有一个参数为setCallback的方法
SimpleMqttClient的对象smc调用runClient方法
然后myClient就可以在setCallback中调用SimpleMqttClient的this方法
回调方法是把功能定义和功能实现分离的一种手段，是一种松耦合的设计思想。
同步调用是一种阻塞式调用，也是我们在写程序中经常使用的；回调是一种双向的调用模式，也就是说，被调用的接口被调用时也会调用对方的接口。
3.3思考与总结
了解了java语言的socket编程基础，学会了利用paho库实现MQTT客户端程序。
心得与体会
通过几天的实训了解了MQTT协议对在物联网专业的应用，利用相关工具捕获MQTT协议的相关报文，学习了如何分析MQTT协议中14种报文。
知道如何用paho库实现MQTT客户端程序。
让我对物联网有了新的认识。
参考文献
[1]皮德常.c++程序设计教程.机械工业出版社.2013
[2]陈锐.Java程序设计.机械工业出版社.2011
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