深度剖析MQTT协议的整个通信流程

geren2014

MQTT，目前物联网的最主要的协议，基本所有收费的云平台都是基于MQTT协议，比如机智云，和所有的开放云平台比如中国移动的oneNet、百度的云平台也都支持MQTT的接入。虽然MQTT很火，但是目前对MQTT的很少，尤其是在如何移植到嵌入式上来。大部分的平台商的做法都是跟模块商合作把MQTT协议集成到WiFi模块跟GPRS模块里面，捆绑一销售，不让用户过多的了解物联网最核心的东西。

在还没有深入去了解MQTT协议之前，总以为是非常复杂的东西，毕竟之前一直想深入，但无奈在浩淼的网络里居然找不到太多实质的资料。随时自己对物联网的不断探索，越来越了解整个物联网的架构，对MQTT了解越来越深入。在这篇文章中将带大家先了解MQTT的协议，在后面的文章，再带大家怎么移植MQTT到STM32上，再到怎么搭建自己的MQTT服务器。

MQTT的基础知识这些大家通过百度知道都可以了解到，这里主要深入去剖析MQTT协议的整个通信流程。但是如果只是看文字话，大家很难理解。因此我们借助Windows下的MQTT客户端MQTT.fx跟网络抓包工具Wireshark来一步步分析MQTT。

名字	值	流向	描述
CONNECT	1	C->S	客户端请求与服务端建立连接
CONNACK	2	S->C	服务端确认连接建立
PUBLISH	3	CóS	发布消息
PUBACK	4	CóS	收到发布消息确认
PUBREC	5	CóS	发布消息收到
PUBREL	6	CóS	发布消息释放
PUBCOMP	7	CóS	发布消息完成
SUBSCRIBE	8	C->S	订阅请求
SUBACK	9	S->C	订阅确认
UNSUBSCRIBE	10	C->S	取消订阅
UNSUBACK	11	S->C	取消订阅确认
PING	12	C->S	客户端发送PING(连接保活)命令
PINGRSP	13	S->C	PING命令回复
DISCONNECT	14	C->S	断开连接

上面是MQTT的主要的通信协议，MQTT是基于TCP长连接，首先是先跟MQTT服务器建立TCP连接，然后发送登录请求，要保持长连接，还要定时发心跳包跟服务保持连接。我们先用MQTT.fx来登录开源的MQTT服务看看。


安装好MQTT.fx(注意MQTT.fx是java开发的，电脑要安装JDK才能安装打开）,一打开里面就默认有一个开源的MQTT服务M2M Eclipse。点开旁边的齿轮（设置按钮）可以看服务器的域名m2m.eclipse.org，端口号1833（MQTT的默认端口号），下面还有个Keep Alive Interval就是心跳的时间。再打开Wireshark，选择要捕获的网络接口，然后再过滤器输入tcp.port==1883后回车，只捕获1883这个端口号的数据包。再点下MQTT.fx的Connect连接服务器，就可以看到Wireshark捕到的数据



可以看到MQTT协议中本地给服务器发送了一个Connect登录请求，然后，服务器回应一个ACK，表示登录成功。再双击Connect Command这条数据包，我们可以看到详细的数据包数据

上面的解析出来的MQTT协议包的内部，下面是对应的二进制数据，这里我们可以对照附件上资料去了解协议的内容。看这里，大家想是不是如果自己用TCP，再封装发送下面的二进制数据就可以完成MQTT的登录了呢？拿出网络调试助手来，ping下m2m.eclipse.org得到IP地址，用端口号1883连接，然后发送Wireshark捕到的MQTT登录协议的二进制数据，可以看到到服务器回应了 20 02 00 00 表示登录成功。


再往下Wireshark捕到的数据包，可以看到每隔一定的时间，本地向服务器发送Ping Request心跳包，相应的服务器也会回应Ping Response。

接下来看MQTT最核心的传输协议 Subcribe（定阅）和Publish（推送）。简单来说就是客户端口（比如物联网硬件）Subcribe一个topic（主题)后，其它的客户端（比如手机）向服务器往这个topic 推送 Payload（有效数据），服务器就会把Payload转发给定阅这个topic的客户端（硬件）。

这样就实现了客户端（手机）通过服务器（MQTT）远程发送数据给客户端（物联网硬件）。一样用MQTT.fx来实验。先点Subscribe然后面下面输入led再点旁边的Subscribe按钮来定阅led这个topic。然后回到Publish，一样在输入框输入led这个topic，下面大框就是输入要推送的数据，输入on，再点Publish按钮，就把数据推送出去了。再回到Subcribe界面来可以看到右边已经收到有推送过来的数据。如果这是硬件收到这个指令，就可以去控制点亮LED，我们就实现远程控制LED灯。



想深入了解MQTT这一个过程的话，我们再回到Wireshark，来看看捕获到的数据

具体的就不详细的分析了，大家看附件的文档来对照就可以很容易了解到。

最后来了解下QoS（定阅等级），分0、1、2三个等级，简单来说是等级越高越可靠。QoS0,就是推送之后就完事了，至于对方有没有收到，收到是什么，数据有没有丢失，都不管。

QoS1的话就是你收到推送后，你还得返回一个puback给对方，告诉对方收到了，不然对方会以为你没收到，隔一段时间后重新给你推送，直到你给对方返回一个Puback为止。



作者：单片机爱好者
来源 单片机爱好者 公众号