MQTT协议探究

Posted 2021-01-18 linzhanfly

1 回顾与本次目标

1.1 回顾

• MQTT控制报文的基本格式
• WireShark进行抓包分析了报文
• 报文分析：
  • CONNECT——连接服务器
  • CONNACK——确认连接请求
  • PINGREQ——心跳请求
  • PINGRESP——心跳响应
  • DISCONNECT——断开连接

1.2 本节目标

• SUBSCRIBE——订阅主题
• SUBACK——订阅确认
• UNNSUBSCRIBE——取消订阅
• UNSUBACK——取消订阅确认
• PUBLISH——发布消息（Qos0，服务质量等级下一节再说吧）

2 MQTT控制报文格式（补充）

2.1 控制报文的类型

名字	值	报文流动方向	描述
SUBSCRIBE	8	client -> server	客户端订阅请求
SUBACK	9	server -> client	订阅请求报文确认
PUBLISH	3	双向	发布消息
UNSUBSCRIBE	10	client -> server	取消订阅请求
UNSUBACK	11	server -> client	取消订阅报文确认

2.2 标识符

控制报文	固定报文标志	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
SUBSCRIBE	Reserved	0	0	1	0
SUBACK	Reserved	0	0	0	0
PUBLISH	Used in MQTT 3.1.1	DUP	QoS	QoS	RETAIN
UNSUBSCRIBE	Reserved	0	0	1	0
UNSUBACK	Reserved	0	0	0	0

• DUP = 控制报文的重复分发标志
• Qos = PUBLISH报文的服务质量等级
• RETAIN = PUBLISH报文是否保留标志

2.3 报文标识符

• 顾名思义就是标识报文的唯一性
• SUBSCRIBE，UNSUBSCRIBE和PUBLISH（QoS大于0）控制报文必须包含一个非零的16位报文标识符（Packet Identifier）。
• Client每次发送一个新的报文时都必须分配一个未使用的报文标识符。
• Client如果进行重发报文必须使用相同的标识符。
• 当Client处理完这个报文对应的确认后，这个报文标识符就释放可重用。
  • QoS 1的PUBLISH对应的是PUBACK
  • QoS 2的PUBLISH对应的是PUBCOMP
  • SUBSCRIBE对应的分别是SUBACK
  • UNSUBSCRIBE对应的时UNSUBACK

控制报文	报文标识符字段
SUBSCRIBE	需要
SUBACK	需要
PUBLISH	需要（如果QoS > 0，Qos=0时不能带）
UNSUBSCRIBE	需要
UNSUBACK	需要

2.4 有效载荷

控制报文	有效载荷
SUBSCRIBE	需要
SUBACK	需要
PUBLISH	可选（允许发空负载）
UNSUBSCRIBE	需要
UNSUBACK	不需要

3 MQTT控制报文示例

3.1 SUBSCRIBE——订阅主题

（1）WireShark抓包获取报文

MQ Telemetry Transport Protocol, Subscribe Request
    # 固定报头
    Header Flags: 0x82 (Subscribe Request)
        1000 .... = Message Type: Subscribe Request (8)
        .... 0010 = Reserved: 2
    Msg Len: 9
    
    # 可变报头
    Message Identifier: 1 # 2个字节，0x0001，报文标识符
    
    # 有效载荷
    Topic Length: 4 # 2个字节，0x0004，Topic的长度
    Topic: TEST # 2个字节，0x54455354，Topic的值
    Requested QoS: At most once delivery (Fire and Forget) (0) # 1个字节 Qos0 0x00 

（2）Topic

• 如果服务端选择不支持包含通配符的主题过滤器，必须拒绝任何包含通配符过滤器的订阅请求。

• Qos为服务质量要求，后面一节讲。

（3）响应

• Server收到Client发送的一个SUBSCRIBE报文时，必须使用SUBACK报文响应
• SUBACK报文必须和等待确认的SUBSCRIBE报文有相同的报文标识符
• 允许Server在发送SUBACK报文之前就开始发送与订阅匹配的PUBLISH报文
• 如果Server收到的SUBSCRIBE报文，Topic与现存的Topic相同，则使用新的订阅（新Qos）替换现存的订阅。
• Client被授权的Qos为0，那么Client发送Qos2将会降级为0。

3.2 SUBACK – 订阅确认

（1）WireShark抓包获取报文

MQ Telemetry Transport Protocol, Subscribe Ack
    # 固定报头
    Header Flags: 0x90 (Subscribe Ack)
        1001 .... = Message Type: Subscribe Ack (9)
        .... 0000 = Reserved: 0
    Msg Len: 3 
    
    # 可变报头
    Message Identifier: 1 # 2个字节，0x0001，与SUBSCRIBE相同
    
    # 有效载荷
    Granted QoS: At most once delivery (Fire and Forget) (0) # 返回码，最大Qos

（2）返回码

• 0x00 - 成功,最大Qos0
• 0x01 - 成功,最大Qos1
• 0x02 - 成功,最大Qos2
• 0x80 - 失败

3.3 PUBLISH – 发布消息（Qos0）

（1）WireShark抓包获取报文

MQ Telemetry Transport Protocol, Publish Message
    # 固定报头
    Header Flags: 0x30 (Publish Message) 
        0011 .... = Message Type: Publish Message (3) # 代表发布消息
        .... 0... = DUP Flag: Not set # 重发标志
        .... .00. = QoS Level: At most once delivery (Fire and Forget) (0) # Qos
        .... ...0 = Retain: Not set # 保留标志
    Msg Len: 16 
    
    # 可变报头
    ### 主题名
    Topic Length: 4 # 2个字节,0x0004
    Topic: TEST # 4个字节
    ### 报文标识符，当Qos不为0时，必须带上。 
    
    # 有效载荷
    Message: HelloWorld

（2）固定报头

• 重发标志：DUP为0，代表Client第一次发这个报文；DUP为1，代表Client重发已发的报文。对于Qos为0时，DUP必须为0。

• 服务质量等级

Qos	Bit2	Bit1	描述
0	0	0	最大分发一次
1	0	1	至少一次
2	1	0	只分发一次
-	1	1	保留位

（3）保留标志(RETAIN)

• Client发送给Server报文的RETAIN为0，Server不能存储这个消息，也不能移除或替换任何现存的消息。
• Client发送给Server报文的RETAIN为1，Server必须存储该消息和Qos，以便分发给未来的主题名匹配的订阅者。（如果有新的订阅，Server存在最近保留的消息，它将发送保留消息给新的Client。并且Server发送的该消息必须将RETAIN设为0.）
• Server不保留零字节（有效载荷）的保留消息。
• Client发送给Server报文的RETAIN为1，Qos为0，Server必须丢弃之前为那个Topic保留的任何消息，并保留该消息，但是该消息也是可以被丢弃的。

（4）响应

服务质量等级	预期响应
Qos0	无响应
Qos1	PUBACK报文
Qos2	PUBREC报文

（5）动作

• 客户端使用带通配符的主题过滤器请求订阅时，客户端的订阅可能会重复，因此发布的消息可能会匹配多个过滤器，所以服务端必须将消息分发给所有订阅匹配的QoS等级最高的客户端。

3.4 UNSUBSCRIBE –取消订阅

（1）WireShark抓包获取报文

MQ Telemetry Transport Protocol, Unsubscribe Request
    # 固定报头
    Header Flags: 0xa2 (Unsubscribe Request)
        1010 .... = Message Type: Unsubscribe Request (10)
        .... 0010 = Reserved: 2
    Msg Len: 8
    
    # 可变报头
    Message Identifier: 2 # 报文标识符，0x0002
    
    # 有效载荷 
    Topic Length: 4
    Topic: TEST

（2）响应

• UNSUBSCRIBE报文提供的主题过滤器（无论是否包含通配符）必须与服务端持有的这个客户端的当前主题过滤器集合逐个字符比较。如果有任何过滤器完全匹配，那么它（Server）自己的订阅将被删除，否则直接返回SUBACK响应。
• Server删除了一个订阅：
  • 必须停止分发任何新消息给该Client
  • 必须完成分发任何已经开始发往Client发送的QoS 1和QoS 2的消息
  • 可以继续发送任何现存的准备分发给客户端的缓存消息
• 即使Server没有删除任何订阅消息，服务器也需要发送一个SUBACK响应。
• 如果服务端收到包含多个主题过滤器的UNSUBSCRIBE报文，它必须如同收到了一系列的多个UNSUBSCRIBE报文一样处理那个报文，除了将它们的响应合并到一个单独的UNSUBACK报文外。（这句话有疑惑？？）

3.5 UNSUBACK – 取消订阅确认

（1）WireShark抓包获取报文

MQ Telemetry Transport Protocol, Unsubscribe Ack

    Header Flags: 0xb0 (Unsubscribe Ack)
        1011 .... = Message Type: Unsubscribe Ack (11)
        .... 0000 = Reserved: 0
        
    Msg Len: 2
    Message Identifier: 2

4 订阅的主题名与主题过滤器

4.1 主题通配符

• 主题分割符号：/
• 主题多层通配符：#，必须在最后面且只有一个
  • sport/tennis/#/ranking 无效
  • sport/tennis#" 无效
• 主题单层通配符：+，可以有多个
  • sport+ 无效

# demo1：多层通配符
订阅："sport/tennis/player1/#"
收到：sport/tennis/player1
     sport/tennis/player1/ranking
     sport/tennis/player1/score/wimbledon

# demo2: 单层通配符
订阅："sport/+" 
收到: sport/tennis
收不到: sport
       sport/
       
# demo3：单层通配符
订阅："+" 
收到: sport
收不到: sport/

# demo4：单层通配符
订阅："+/" 
收到: sport/
收不到: sport

4.2 以$开头的主题(非绝对)

• $通常预留给服务器使用（非绝对，具体看服务器的配置）
• $SYS/ 被广泛用作包含服务器特定信息或控制接口的主题的前缀
• 订阅”#“不会收到”$“开头的主题消息
• +/monitor/Clients不会收到的客户端不会收到任何发布到 “$SYS/monitor/Clients” 的消息

4.3 主题语义和用法

• 只包含斜杠 “/” 的主题名或主题过滤器是合法的
• 主题名和主题过滤器可以包含空格
• 主题名和主题过滤器是区分大小写的
• 主题名或主题过滤器以前置或后置斜杠 “/” 区分
• 主题名和主题过滤器不能包含空字符(Unicode U+0000)
• 主题名和主题过滤器不能只有空格符
• 主题名和主题过滤器是UTF-8编码字符串，它们不能超过65535字节