MQTT抓包分析

1. 概述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布，目前最新版本为v3.1.1。MQTT最大的优点在于可以以极少的代码和有限的带宽，为远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，MQTT在物联网、小型设备、移动应用等方面有广泛的应用。众所周知，TCP/IP参考模型可以分为四层：应用层、传输层、网络层、链路层。TCP和UDP位于传输层，应用层常见的协议有HTTP、FTP、SSH等。MQTT协议运行于TCP之上，属于应用层协议，因此只要是支持TCP/IP协议栈的地方，都可以使用MQTT。

2. MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：
（1）发布其他客户端可能会订阅的信息； //发布消息
（2）订阅其它客户端发布的消息； //订阅消息
（3）退订或删除应用程序的消息；//退订消息
（4）断开与服务器连接。//断开，连接服务器

3. MQTT服务器

MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：
（1）接受来自客户的网络连接； //接受客户端连接
（2）接受客户发布的应用信息；//接收客户端发布的消息
（3）处理来自客户端的订阅和退订请求；//处理消息的订阅及退订
（4）向订阅的客户转发应用程序消息。//推送消息

4. MQTT消息格式

每条MQTT命令消息的消息头都包含一个固定的报头，有些消息会携带一个可变报文头和一个负荷。消息格式如下：

固定报文头 | 可变报文头 | 负荷

4.1 固定报文头（Fixed Header）

4.2 可变报文头（Variable Header）

4.2.1 消息质量（QoS）

MQTT消息质量有三个等级，QoS 0，QoS 1和 QoS 2。
QoS 0：最多分发一次。消息的传递完全依赖底层的TCP/IP网络，协议里没有定义应答和重试，消息要么只会到达服务端一次，要么根本没有到达。
QoS 1：至少分发一次。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或发送设备异常，或者指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。
QoS 2：只分发一次。这是最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。

4.2.2 遗愿标志（Will Flag）

在可变报文头的连接标志位字段（Connect Flags）里有三个Will标志位：Will Flag、Will QoS和Will Retain Flag，这些Will字段用于监控客户端与服务器之间的连接状况。如果设置了Will Flag，就必须设置Will QoS和Will Retain标志位，消息主体中也必须有Will Topic和Will Message字段。
那遗愿消息是怎么回事呢？服务器与客户端通信时，当遇到异常或客户端心跳超时的情况，MQTT服务器会替客户端发布一个Will消息。当然如果服务器收到来自客户端的DISCONNECT消息，则不会触发Will消息的发送。
因此，Will字段可以应用于设备掉线后需要通知用户的场景。

4.2.3 连接保活心跳机制（Keep Alive Timer）

MQTT客户端可以设置一个心跳间隔时间（Keep Alive Timer），表示在每个心跳间隔时间内发送一条消息。如果在这个时间周期内，没有业务数据相关的消息，客户端会发一个PINGREQ消息，相应的，服务器会返回一个PINGRESP消息进行确认。如果服务器在一个半（1.5）心跳间隔时间周期内没有收到来自客户端的消息，就会断开与客户端的连接。心跳间隔时间最大值大约可以设置为18个小时，0值意味着客户端不断开

4.3 有效负荷（Payload）

5. MQTT控制报文

介绍MQTT协议的报文组成并通过wireshark抓取报文包分析报文内容

5.1 连接服务端(CONNECT)

Connect报文在MQTT客户端连接服务器时发出，报文由三部分组成，下面将分别介绍

5.1.1 固定报头(fixed header)

图5-1 CONNECT固定报头报文 Connect名称的值为1，低四位保留，剩余长度保存可变报头(10字节)加上有效载荷的长度。

5.1.2 可变报头(variable header)

连接标志包含用户名标志(username flag)、密码标志(password flag)、遗嘱标志(will flag)、遗嘱服务指令(will Qos)、遗嘱保留标志(will retain)、清除会话标志(clean session)、保留位(reserved)。

用户名标志(username flag)： 若用户名标志被置为1，有效载荷中必须包含用户名字段。

密码标志(password flag)： 若密码标志被置为1，有效载荷中必须包含密码字段，当用户标志被置为0时，密码标志必须被置0.。

遗嘱标志(will flag)： 若遗嘱标志被置1，遗嘱服务指令(will Qos)与遗嘱保留标志(will retain)会被服务器用到，遗嘱消息中必须包含will topic和will message。

遗嘱服务指令(will Qos)： 如果遗嘱标志被设置为0，遗嘱QoS也必须设置为0(0x00)，如果遗嘱标志被设置为1，遗嘱QoS的值可以等于0(0x00)，1(0x01)，2(0x02)。它的值不能等 于3。

遗嘱保留标志(will retain)： 若遗嘱保留标志位被置位，服务器将保留遗嘱消息(保留发布)，当客户端异常断开连接时将遗嘱发给订阅遗嘱主题的客户。

清除会话标志(clean session)： 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(之前的订阅与发布消息被删除)，若标志为0，恢复与服务器会话连接，若没有连接 新建一个会话连接(不删除之前与客户端的会话信息并保存断开本次会话之后的Qos1与Qos2消息)。

保留位(reserved)： 如果不为0必须断开客 户端连接。

报文最后两字节为发送心跳包的间隔时间，当客户端没有数据发给服务器时，须发送心跳包(pingreq)到服务器，保证连接不断开。

5.1.3 有效载荷(Payload)

5.2连接请求确认(CONNACK)

Connack为服务器确认客户端连上服务给出的回应。

5.2.1 固定报头(fixed header)

图5-4 CONNACK固定报头报文

5.2.2 可变报头(variable header)

图5-5 CONNACK可变报头报文

第一字节1~7位保留，第0位是当前会话标志(session present),若清除会话标志被置1，该位为0，若清除会话标志为0且服务器没有与客户端会话保存，该位置0，有保存置1

第二字节保存连接返回码，若连接成功返回0。

图5-6 连接返回码 图5-7 CONNECT响应报文

5.3发布消息(PUBLISH)

发布消息可由客户端或服务器发出，被消息订阅者接收。

5.3.1 固定报头(fixed header)

5.3.2 可变报头(variable header)

可变报头按顺序包含主题名和报文标识符。

5.3.3 有效载荷(Payload)

5.4发布确认(PUBACK)

由服务器或客户端确认已接收到pub消息

5.4.1 固定报头(fixed header)

图5-10 puback固定报头报文

5.4.2 可变报头(variable header)

5.5发布收到 PUBREC（QoS 2，第一步）

5.5.1 固定报头(fixed header)

图5-12 pubrec固定报头报文

5.5.2 可变报头(variable header)

5.6发布释放 PUBREL（QoS 2，第二步）

5.6.1 固定报头(fixed header)

图5-14 pubrel固定报头报文

5.6.2 可变报头(variable header)

5.7发布完成 PUBCOMP（QoS 2，第三步）

5.7.1 固定报头(fixed header)

图5-16 pubcomp固定报头报文

5.7.2 可变报头(variable header)

5.8订阅主题(SUBSCRIBE)

客户端通过订阅消息的方式来接收服务端下发的消息

5.8.1 固定报头(fixed header)

5.8.2 可变报头(variable header)

只有两字节的报文标识

5.8.3 有效载荷(Payload)

5.9订阅确认(SUBACK)

SUBACK报文包含一个返回码清单，它们指定了SUBSCRIBE请求的每个订阅被授予的最大QoS等级。

5.9.1 固定报头(fixed header)

图5-21 suback固定报头报文

5.9.2 可变报头(variable header)

只有两字节的报文标识

5.9.3 有效载荷(Payload)

5.10取消订阅 (UNSUBSCRIBE)

5.10.1 固定报头(fixed header)

图5-24 unsubscribe固定报头报文

5.10.2 可变报头(variable header)

只有两字节的报文标识

5.10.3 有效载荷(Payload)

5.11取消订阅确认 (UNSUBACK)

5.11.1 固定报头(fixed header)

图5-26 unsuback固定报头报文

5.11.2 可变报头(variable header)

5.12心跳请求 (PINGREQ)

客户端发送PINGREQ报文给服务端的。用于：
1.在没有任何其它控制报文从客户端发给服务的时，告知服务端客户端还活着。
2.请求服务端发送 响应确认它还活着。
3.使用网络以确认网络连接没有断开

5.12.1 固定报头(fixed header)

图5-28 pingreq固定报头报文 图5-29 pingreq消息报文

5.13心跳响应 (PINGRESP)

5.13.1 固定报头(fixed header)

图5-30 pingresp固定报头报文 图5-31 pingresp消息报文

5.14断开连接 (DISCONNECT)

5.14.1 固定报头(fixed header)

图5-32 disconnect固定报头报文 图5-33 disconnect消息报文

抓包注意：用标准不加密MQTT能抓到便于查看的报文，加密报文解析时不便于理解

创作不易，白嫖不好，各位的支持和认可，就是我创作的最大动力，我们下篇文章见！

清风 | 文 【原创】

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