MQTT協(xié)議14種報文分析

1、MQTT協(xié)議14種報文分析實習(xí)報告課 程 名 稱: _實 習(xí) 題 目: _ 專 業(yè) 班 級: _學(xué) 生 姓 名: _學(xué) 號: _實 習(xí) 成 績: 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日實習(xí)時間實習(xí)地點實習(xí)學(xué)時實習(xí)目的學(xué)習(xí)MQTT協(xié)議，對各個MQTT報文進(jìn)行協(xié)議分析。學(xué)習(xí)java語言的socket編程基礎(chǔ)，利用paho庫實現(xiàn)MQTT客戶端程序。實習(xí)內(nèi)容利用相關(guān)工具捕獲MQTT協(xié)議的相關(guān)報文，分析MQTT協(xié)議的14種報文。學(xué)會直接構(gòu)造MQTT報文，完成通信，并理解回調(diào)機制實習(xí)要求記錄MQTT實驗過程、截圖分析并說明利用socket直接構(gòu)造MQTT報文，完成與服務(wù)器進(jìn)行通信，實現(xiàn)連接服務(wù)器、訂閱主題、發(fā)送消息等

2、功能。利用paho庫實現(xiàn)MQTT客戶端，實現(xiàn)所有功能，并理解回調(diào)機制實習(xí)主要設(shè)施設(shè)備裝有WiresharkPortable、paho、mosquitto、npcap、jdk-8u112-windows-i586等程序的PC機一臺實習(xí)成果對MQTT協(xié)議有了一定的認(rèn)識，知道如何分析各種報文。對MQTT協(xié)議編程有了一定的基礎(chǔ)和了解。實習(xí)報告1 引言1.1系統(tǒng)概述MQTT協(xié)議的分析與編程實驗1.2 需求分析 基于輕量級代理的發(fā)布/訂閱協(xié)議，更為簡約、輕量，易于使用，針對受限環(huán)境（帶寬低、網(wǎng)絡(luò)延遲高、網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定），屬于物聯(lián)網(wǎng)的一個傳輸協(xié)議。設(shè)計思想是開放、簡單、輕量、易于實現(xiàn)。1.3 運行環(huán)境裝并打

3、開mosquitto服務(wù)器；安裝MQTT客戶端EclipsePahoMQTT；安裝npcap；安裝WiresharkPortable協(xié)議分析軟件；安裝jdk；Window7系統(tǒng)。構(gòu)造服務(wù)器環(huán)境。2 協(xié)議分析實驗2.1 實驗準(zhǔn)備實驗環(huán)境：JDK環(huán)境實驗方法及步驟：1.MQTT服務(wù)器端mosquitto（1）下載并安裝mosquitto（2）確認(rèn)安裝完后，所有所有的程序都安裝在這個目錄下，C:Program Files (x86)mosquitto。如果你不想在其他的操作系統(tǒng)上也執(zhí)行安裝程序，把C:Program Files (x86)mosquitto這個文件夾拷貝到任何路徑（3）進(jìn)入d:mos

4、quitto，輸入下面的命令， cd d:mosquitto mosquitto -p 1883 -v -p 代表當(dāng)前的mosquitto服務(wù)實例啟動以后，其監(jiān)聽端口號，這個配置的覆蓋-c config file 指定的配置文件中的端口 -v 代碼調(diào)試模式（verbose）可以輸出更多的信息 2.MQTT客戶端Eclipse Paho MQTT （1）下載解壓縮后，雙擊paho.exe，打開后的對界面如下 （2）點擊上圖中的 十字圖標(biāo)，就能新建一個MQTT的客戶端的連接，輸入正確的MQTT服務(wù)端的連接位置， （3）這個時候我們就能訂閱消息了。選擇“Subscription”下方的綠色十字圖標(biāo)，

5、就可以輸入訂閱的主題（topic）的名字，比如我們設(shè)置主題名稱為“test”，并點擊“Subscribe”按鈕（4）往MQTT服務(wù)發(fā)送一條某一主題的MQTT消息。然后點擊“Publish”按鈕，這個時候，我們就能看到消息已經(jīng)發(fā)送成功，且在步驟（3）訂閱的同一主題也收到了消息。3.安裝和使用協(xié)議分析軟件wireshark （1）安裝WiresharkPortable_2.2.1.paf.exe（2）捕獲MQTT協(xié)議報文（3）在Wireshark中，分為capture filter和Display Filer，我們只需要在WireShark軟件中的capture filter 輸入下面的過濾條件，

6、則與MQTT服務(wù)交互的相關(guān)TCP的數(shù)據(jù)包就能抓取到。如下圖所示意. 這個時候，我們先啟動WireShark，然后點擊Eclipse Paho MQTT工具的“Connect”，這個時候WireShark就能抓取下面的TCP數(shù)據(jù)包。2.2 主要實驗步驟操作：按照“MQTT-3.1.1-CN”文檔各種報文的實現(xiàn)方法依次實現(xiàn)，抓包結(jié)果截圖，結(jié)合參考文檔分析實驗結(jié)果。結(jié)果：如下各圖所示14種報文分析說明具體如下：1.CONNECT 連接服務(wù)端分析說明：固定報頭：0001 0000其中MQTT報文控制類型0001，保留位0000剩余長度字段：為16進(jìn)制的1c，表示剩余長度等于可變報頭的長度（10字節(jié)）加

7、上有效載荷的長度為28。可變報頭：CONNECT報文的可變報頭按下列次序包含四個字段：協(xié)議名（Protocol Name），協(xié)議級別（Protocol Level），連接標(biāo)志（Connect Flags）和保持連接（Keep Alive）協(xié)議名字節(jié)構(gòu)成：00 04 4d 51 54 54，表示長度為4的“MQTT”協(xié)議名稱協(xié)議級別字節(jié)構(gòu)成：04，對于3.1.1版協(xié)議，協(xié)議級別字段的值是4(0x04)。連接標(biāo)志：02，對應(yīng)2進(jìn)制0000 0010，服務(wù)端必須驗證CONNECT控制報文的保留標(biāo)志位（第0位）是否為0，如果不為0必須斷開客戶端連接 。清理會話位置為連接標(biāo)志字節(jié)的第1位 ，清理會話標(biāo)志

8、被設(shè)置為1，客戶端和服務(wù)端必須丟棄之前的任何會話并開始一個新的會話。遺囑標(biāo)志位置為連接標(biāo)志的第2位，遺囑標(biāo)志被設(shè)置為0，連接標(biāo)志中的Will QoS和Will Retain字段必須設(shè)置為0，并且有效載荷中不能包含Will Topic和Will Message字段，網(wǎng)絡(luò)連接斷開時，不能發(fā)送遺囑消息。遺囑QoS位置為連接標(biāo)志的第4和第3位。這兩位用于指定發(fā)布遺囑消息時使用的服務(wù)質(zhì)量等級，因為此例遺囑標(biāo)志位置被置0，所以0，遺囑QoS也必須設(shè)置為0(0x00) 遺囑保留位置為連接標(biāo)志的第5位。 遺囑標(biāo)志被設(shè)置為0，遺囑保留（Will Retain）標(biāo)志也必須設(shè)置為0 用戶名標(biāo)志位置為連接標(biāo)志的第7位

9、。此例用戶名標(biāo)志被設(shè)置為0，有效載荷中不能包含用戶名字段密碼標(biāo)志位置為連接標(biāo)志的第6位。因為此例用戶名標(biāo)志被設(shè)置為0，密碼標(biāo)志也必須設(shè)置為0 保持連接：保持連接字節(jié)為00 3c，其中保持連接KeepAliveMSB為00，保持連接KeepAliveLSB為3c有效載荷：00 10 70 61 68 6f 38 37 32 32 38 35 35 32 31 39 34 3，其中表示隨后長度為16，此例有效載荷只有客戶端標(biāo)識符即paho 8722855219412.CONNACK 確認(rèn)連接請求 3. PUBLISH-發(fā)布消息：分析說明：以Q0S=1為例：固定報頭：0011 0010，其中MQTT

10、報文控制類,0011，保留位0010，重發(fā)標(biāo)志位置為第1個字節(jié)，第3位，DUP=0，表示這是客戶端或服務(wù)端第一次請求發(fā)送這個PUBLISH報文。服務(wù)質(zhì)量等級位置為第1個字節(jié)，第2-1位，QoS=01，表示至少分發(fā)一次。保留標(biāo)志位置為第1個字節(jié)，第0位，例圖中為0.剩余長度字段：為16進(jìn)制的0a，表示可變報頭的長度。表示可變報頭的長度加上有效載荷的長度為10.可變報頭：為16進(jìn)制的00 03 31 31 30 00 06 31 32 33，00 03表示主題長度為3,31 31 30即主題名110,00 06為報文標(biāo)識符，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的06，3

11、1 32 33為發(fā)布內(nèi)容123有效載荷：有效載荷包含將被發(fā)布的應(yīng)用消息。數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式是應(yīng)用特定的。有效載荷的長度這樣計算：用固定報頭中的剩余長度字段的值減去可變報頭的長度。包含零長度有效載荷的PUBLISH報文是合法的。此例的有效載荷即為零長度。4.PUBACK 發(fā)布確認(rèn)分析說明：固定報頭：0100 0000，其中MQTT報文控制類,0100，保留位0000剩余長度字段：為16進(jìn)制的02，表示可變報頭的長度。對PUBREL報文這個值等于2. 可變報頭：為16進(jìn)制的00 06，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的06有效載荷：PUBACK報文沒有有效載荷。 5.

12、PUBREC 發(fā)布收到QoS2第一步分析說明：固定報頭：0101 0000，其中MQTT報文控制類,0101，保留位0000剩余長度字段：為16進(jìn)制的02，表示可變報頭的長度。對PUBREL報文這個值等于2. 可變報頭：為16進(jìn)制的00 07，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的07有效載荷：PUBREC報文沒有有效載荷。 6.PUBREL 發(fā)布釋放QoS2第二步分析說明：固定報頭：0110 0010，其中MQTT報文控制類,0110，保留位0010剩余長度字段：為16進(jìn)制的02，表示可變報頭的長度。對PUBREL報文這個值等于2. 可變報頭：為16進(jìn)制的00 0

13、7，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的07有效載荷：PUBREL報文沒有有效載荷。 7.PUBCOMP 發(fā)布完成QoS2第三步分析說明：固定報頭：0111 0000，其中MQTT報文控制類,0111，保留位0000剩余長度字段：為16進(jìn)制的02，表示可變報頭的長度，對PUBCOMP報文這個值等于2。 可變報頭：為16進(jìn)制的00 07，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的07有效載荷：PUBCOMP報文沒有有效載荷。 8.SUBSCRIBE - 訂閱主題 分析說明：固定報頭：1000 0010，其中MQTT報文控制類,1000，保留位

14、0010剩余字段長度：為16進(jìn)制的08，表示可變報頭的長度（2字節(jié)）加上有效載荷的長度為8可變報頭：為16進(jìn)制的00 01，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的01有效載荷：為16進(jìn)制的00 03 31 31 30 00，其中MSB為00，LSB為03，主題過濾為31 31 30即110，00表示服務(wù)質(zhì)量等級QoS為0。9 SUBACK 訂閱確認(rèn) 分析說明：固定報頭：1001 0000，其中MQTT報文控制類,1001，保留位0000剩余長度字段為16進(jìn)制的03，表示可變報頭的長度加上有效載荷的長度為3可變報頭：為16進(jìn)制的00 01，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)

15、制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的01有效載荷：為16進(jìn)制的00，對應(yīng)2進(jìn)制即為返回碼0000 0000，返回碼值為0x00 -最大QoS 0 10 UNSUBSCRIBE 取消訂閱 分析說明：固定報頭：1010 0010其中MQTT報文控制類型1010，保留位0010剩余長度字段 為16進(jìn)制的07，表示可變報頭的長度加上有效載荷的長度為7可變報頭：16進(jìn)制的00 02，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的02有效載荷：16進(jìn)制的 00 03 31 31 30,其中00 03表示想要取消訂閱的主題長度為3，想要取消的主題為31 31 30即110。11 UNS

16、UBACK 取消訂閱確認(rèn) 分析說明：固定報頭：1011 0000其中MQTT報文控制類型1011，保留位0000.剩余長度字段為：16進(jìn)制的02，表示可變報頭的長度，對UNSUBACK報文這個值等于2可變報頭：16進(jìn)制的00 02，其中報文標(biāo)識符MSL為16進(jìn)制的00，報文標(biāo)識符LSB為16進(jìn)制的02有效載荷：UNSUBACK報文沒有有效載荷。 12 PINGREQ 心跳請求 分析說明：固定報頭：1100 0000，其中MQTT報文控制類型1100，保留位00000可變報頭：PINGREQ報文沒有可變報頭。 有效載荷：PINGREQ報文沒有有效載荷。13 PINGRESP 心跳響應(yīng) 分析說明：

17、固定報頭：1101 0000，其中MQTT報文控制類,1101，保留位0000可變報頭：PINGRESP報文沒有可變報頭。 有效載荷：PINGRESP報文沒有有效載荷。14 DISCONNECT 斷開連接分析說明：固定報頭：1110 0000，其中MQTT報文控制類型1110，保留位0000可變報頭：DISCONNECT報文沒有可變報頭。 有效載荷：DISCONNECT報文沒有有效載荷。2.3 思考與總結(jié)1.說明paho和mosquitto的作用，它們與發(fā)布/訂閱模式的關(guān)系。Paho是MQTT服務(wù)器客戶端，Mosquitto是MQTT服務(wù)器端，助paho和mosquitto均可作為MQTT服務(wù)

18、器的實現(xiàn),可實現(xiàn)發(fā)布/訂閱模式2.MQTT中變長字段有哪些？接收端如何判斷變長字段結(jié)束？MQTT中變長字段有剩余長度，當(dāng)剩余長度字段的標(biāo)志位為0時表示變長字段結(jié)束。3.構(gòu)造、捕獲并分析帶有客戶端標(biāo)識符，遺囑主題，遺囑消息，用戶名，密碼的Connect消息。分析說明：固定報頭：0001 0000報文控制類型0001，保留位0000剩余長度字段：為16進(jìn)制的32，表示剩余長度等于可變報頭的長度（10字節(jié)）加上有效載荷的長度為50.可變報頭：CONNECT報文的可變報頭按下列次序包含四個字段：協(xié)議名（Protocol Name），協(xié)議級別（Protocol Level），連接標(biāo)志（Connect F

19、lags）和保持連接（Keep Alive）協(xié)議名字節(jié)構(gòu)成：00 04 4d 51 54 54，表示長度為4的“MQTT”協(xié)議名稱協(xié)議級別字節(jié)構(gòu)成：04，對于3.1.1版協(xié)議，協(xié)議級別字段的值是4(0x04)。連接標(biāo)志：c6，對應(yīng)2進(jìn)制1100 0110，服務(wù)端必須驗證CONNECT控制報文的保留標(biāo)志位（第0位）是否為0，如果不為0必須斷開客戶端連接 。清理會話位置為連接標(biāo)志字節(jié)的第1位 ，清理會話標(biāo)志被設(shè)置為1，客戶端和服務(wù)端必須丟棄之前的任何會話并開始一個新的會話。遺囑標(biāo)志位置為連接標(biāo)志的第2位，遺囑標(biāo)志被設(shè)置為1，表示如果連接請求被接受了，遺囑（Will Message）消息必須被存儲在

20、服務(wù)端并且與這個網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)聯(lián)。之后網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)閉時，服務(wù)端必須發(fā)布這個遺囑消息，除非服務(wù)端收到DISCONNECT報文時刪除了這個遺囑消息。且連接標(biāo)志中的Will QoS和Will Retain字段會被服務(wù)端用到，同時有效載荷中必須包含Will Topic和Will Message字段。遺囑QoS位置為連接標(biāo)志的第4和第3位。這兩位用于指定發(fā)布遺囑消息時使用的服務(wù)質(zhì)量等級，因為此例遺囑標(biāo)志位置被置0，所以0，遺囑QoS也必須設(shè)置為0(0x00) 遺囑保留位置為連接標(biāo)志的第5位。此例遺囑保留被設(shè)置為0且遺囑標(biāo)志被設(shè)置為1，服務(wù)端必須將遺囑消息當(dāng)作非保留消息發(fā)布。用戶名標(biāo)志位置為連接標(biāo)志的第7位。此

21、例用戶名標(biāo)志被設(shè)置為1，有效載荷中必須包含用戶名字段。密碼標(biāo)志位置為連接標(biāo)志的第6位。此例密碼標(biāo)志被設(shè)置為1，有效載荷中必須包含密碼字段保持連接：保持連接字節(jié)為00 3c，其中保持連接KeepAliveMSB為00，保持連接KeepAliveLSB為3c有效載荷：00 12 70 61 68 6f 31 30 35 35 34 37 35 35 30 35 37 37 38 30 00 03 31 31 30 00 03 31 31 30 00 03 31 31 30 00 03 31 31 30，其中00 12表示隨后客戶端標(biāo)識符長18個字節(jié)即paho 0554755057780，接著00

22、03表示隨后的遺囑主題長3個字節(jié)即110，接著00 03表示隨后的遺囑消息長3個字節(jié)即110，接著00 03表示隨后的用戶名長3個字節(jié)即110，接著00 03表示隨后的密碼長3個字節(jié)即1104. 構(gòu)造、捕獲并分析訂閱多個不同Qos級別的主題Subscribe消息。同時訂閱QoS級別分別為0、1、2的消息。 三種方式固定頭部的前兩個字節(jié)均為：82 表示為請求訂閱；Qos表示字段僅僅跟著Topic字段之后，16進(jìn)制代碼為：00 01 10表示為0 1 2三種情況。5.構(gòu)造、捕獲并分析長度大于 127 字節(jié)的報文。當(dāng)出現(xiàn)大于127字節(jié)的報文時，會在PUBLISH后出現(xiàn)幾個TCP報文；TCP報文的數(shù)據(jù)內(nèi)筒不一樣，但序號相同。6.構(gòu)造、捕獲并分析Qos=1和Qos=2時丟包的處理情況。以上是QoS=1以上是QoS=27.學(xué)習(xí)3種QoS消息的特性，通過實驗填寫下表內(nèi)容發(fā)布消息的QoS 0 0 0 1 Topic訂閱的QoS 0 1 2 0 接收消息的QoS 0 0 0 0發(fā)布消息的QoS 1 1 2 2 2 Topic訂閱的QoS 1 2 0 1 2 接收消息的QoS 1 1 0 1 23協(xié)議編程實驗過程3.1 實驗準(zhǔn)備實驗環(huán)境：JDK環(huán)境實驗方法及步驟：1.安裝J