淺談MQTT底層原理（網路除錯助手直連阿里云)

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第四節 CONNEC報文

客戶端到服務端的網路連接建立后，客戶端發送給服務端的第一個報文必須是 CONNECT報文，服務端收到CONNECT報文后，將發送 CONNACK 報文回應從客戶端收到的 CONNECT 報文，服務端發送給客戶端的第一個報文也必須是CONNACK報文，下面講解CONNECT報文的內容，

CONNEC固定報頭可由第三節得出，為0x10+（剩余長度），

CONNEC可變報頭由協議名、協議級別、連接標志、保持連接四部分組成，協議名為字串“MQTT”，由于規定為6位元組，故其UTF-8編碼格式的表示為：00 04 4D 51 54 54（十六進制），協議級別為4，即0x04，連接標志由1個位元組組成，其含義表4.1所示，我們需要驗證User Name、Password，并且Clean Session，這樣服務器每次session 都要重新建立，這也是大多數的場景使用情況，因此連接標志配置為0xC2，保持連接由兩個位元組組成，表示服務器和客戶端保持連接的時間，此處設定為100s，也就是0x0064，綜上所述，我們配置的CONNEC可變報文為00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 64（十六進制），

CONNEC報文的可變負載由三個字串組成，分別為客戶端ID、用戶名、Password組成，此處注意字串需要使用UTF-8格式的，

綜合上面CONNEC報文的三大部分，我們計算出剩余長度為0x7A，可以最終得到CONNEC報文發送的內容為：10 7A 00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 64 00 2c 63 6F 61 70 5F 74 65 78 74 31 7C 73 65 63 75 72 65 6D 6F 64 65 3D 33 2C 73 69 67 6E 6D 65 74 68 6F 64 3D 68 6D 61 63 73 68 61 31 7C 00 16 63 6F 61 70 5F 74 65 78 74 31 26 61 31 31 36 6E 37 4D 77 53 78 67 00 28 61 32 38 31 62 38 38 38 63 66 66 64 30 37 63 35 34 30 32 31 36 31 37 64 30 39 63 37 63 65 37 61 35 34 37 33 65 39 38 64（十六進制，不同設備的CONNEC報文負載是不同的），

我們實驗驗證上訴理論的可行性，如圖4.2所示，接收和發送設定都設定為HEX，將服務器地址和埠輸入進去，然后在發送區發送CONNEC報文，此時阿里云端顯示已經連接，并且服務區回傳資料：20 02 00 00（十六進制），這串資料為CONNACK – 確認連接請求報文，其固定報頭為0x20、0x02,其中0x02表示剩余長度，后面兩個資料0x00、0x00為可變報文，CONNACK報文無可變負載報文，第三個資料0x00為確定連接標志，這個在MQTT中固定為0x00，第四個資料含義如表4.3所示，我們接收到的第四個資料為0x00就表示連接已接受了，

表4.1 連接標志含義

圖4.2 實驗驗證

表4.3 連接回傳碼的值

第五節 訂閱和取消訂閱

首先講解一下如何訂閱主題，客戶端向服務端發送 SUBSCRIBE 報文用于創建訂閱，每個訂閱注冊客戶端關心的主題，然后服務器將會回傳一個SUBACK 報文，用于確認它已收到并且正在處理 SUBSCRIBE 報文，

SUBSCRIBE固定報頭可由第三節得出，為0x82+（剩余長度），

SUBSCRIBE可變報頭是客戶端識別符號，此處我們使用的識別符號號為0x00 0x0a，

SUBSCRIBE報文的可變負載由主題過濾器（UTF-8字串）和服務質量等級組成，我們的服務質量等級為0，主題過濾器其實就是Toic串列中的主題，我選取我阿里云上的主題“/a1Dm4VEK8BR/aliyun_dev/user/LED”，綜合可得SUBSCRIBE報文的可變負載的可變負載內容為00 20 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 75 73 65 72 2F 4C 45 44 00（十六進制）

綜上，我們的SUBSCRIBE 報文的內容為82 25 00 0a 00 20 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 75 73 65 72 2F 4C 45 44 00（十六進制），如圖4.1，我們連接阿里云服務器后，再發送SUBSCRIBE 報文的內容，

發送上面的訊息后，我們將會收到訂閱確認報文—SUBACK報文，該報文的固定報文為0x90 +可變長度（大小一般固定為03），可變報文為客戶端發送的識別符號，有效負載為一個位元組，內容和含義為：0x00 - 最大 QoS 0；0x01 - 成功 – 最大 QoS 1；0x02 - 成功 – 最大 QoS 2；0x80 - Failure 失敗，如圖4.1，我們的回傳值為90 03 00 0A 01，訂閱成功！這里值得注意的是，我們雖然設定了QoS為0，但是SUBACK報文的有效負載為01，這并不是服務器出問題，而是我們成功后，等級應該會默認設定為最大QoS 1，

以上是訂閱主題的操作，那么如果我們要取消訂閱，就要使用UNSUBSCRIBE 報文，其格式和SUBSCRIBE 報文類似，當我們發送了UNSUBSCRIBE 報文后，服務器也會回傳UNSUBACK 報文給客戶端用于確認收到 UNSUBSCRIBE 報文，

下面講解一下UNSUBSCRIBE 報文，該報文的固定報頭由第三節得出，為0x a2+（剩余長度），可變報頭為SUBSCRIBE可變報頭的客戶端識別符號，我的UNSUBSCRIBE可變報頭為0x00 0x0a，UNSUBSCRIBE 報文的有效載荷由要取消訂閱的主題和QOS等級組成，當QOS等級=0時，可以省略QOS等級，我們要取消訂閱的主題為“/a1Dm4VEK8BR/aliyun_dev/user/LED”，綜合本段的內容，我們可以得出完整的UNSUBSCRIBE 報文為：a2 24 00 0a 00 20 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 75 73 65 72 2F 4C 45 44（十六進制）

我們連接阿里云服務器，發送上述的UNSUBSCRIBE 報文，如圖4.1，服務端回傳了 UNSUBACK 報文給客戶端用于確認收到 UNSUBSCRIBE 報文，從圖中可見到回傳值為0xB0,0x02,0x00,0x0a，如果掌握了前述報文的內容，這個報文并不難分析，資料0xB0,0x02為固定報頭，資料0x00,0x0a為可變報頭，內容與SUBSCRIBE可變報頭的客戶端識別符號一樣，UNSUBACK 報文無有效負載部分，如圖5.1所示，我們成功取消了訂閱，

圖5.1 訂閱和取消訂閱

第六節 接收訊息和發布訊息

經過前面幾節的學習，我們已經初步了解MQTT底層的作業原理，本節先講解設備如何接收阿里云的訊息再講解如何發布訊息，我們在網路除錯助手連接阿里云如圖6.1所示，然后按照圖示的六個步驟發送訊息給網路助手，我們在網路除錯助手的回傳資訊分析，可知固定報頭為30 ，剩余長度為0x9b，此處不做累述，固定報頭的格式可參考第一節，可變報頭中，將00 36 2F 73 79 73 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 74 68 69 6E 67 2F 73 65 72 76 69 63 65 2F 70 72 6F 70 65 72 74 79 2F 73 65 74（十六進制，UTF-8編碼）翻譯后的意思為“/sys/a1Dm4VEK8BR/aliyun_dev/thing/service/property/set”，可以判斷可變報頭的內容為Topic名稱，剩下的資料即為有效載荷：7B 22 6D 65 74 68 6F 64 22 3A 22 74 68 69 6E 67 2E 73 65 72 76 69 63 65 2E 70 72 6F 70 65 72 74 79 2E 73 65 74 22 2C 22 69 64 22 3A 22 37 35 31 34 31 33 35 37 30 22 2C 22 70 61 72 61 6D 73 22 3A 7B 22 4C 45 44 53 77 69 74 63 68 22 3A 30 7D 2C 22 76 65 72 73 69 6F 6E 22 3A 22 31 2E 30 2E 30 22 7D（十六進制，ASCII編碼），翻譯后的意思如下：

“{"method":"thing.service.property.set","id":"751413570","params":{"LEDSwitch":0},"version":"1.0.0"}”這個明顯為JSON運算式，JSON格式參考第三節“MQTT底層中需要了解的知識”，

綜上所述，我們可以MQTT中發布訊息的格式為：

①固定報頭：0x30+剩余長度

②可變報頭：Topic名稱（UTF-8編碼）

③報文負載：應用訊息（JSON格式，ASCII編碼）

下面我們按照上面的格式也嘗試發訊息給阿里云，我們先創建好了阿里云的設備LEDSwitch，并且打開自定義功能并發布上線（此處可參考正點原子推出的“STM32F1 lwIP開發手冊.docx”的第十二章），我們發布訊息給物理模型，需要訂閱主題“/sys/（ProductKey）/ （DeviceName）/thing/event/property/set”（”ProductKey”和“DeviceName”根據自己設備填寫，我最終訂閱的主題內容為“/sys/a1Dm4VEK8BR/aliyun_dev/thing/event/property/set”，訂閱方法參考本文第五節），然后在發送訊息中，我們寫入如下內容：

①固定報頭0x30+剩余長度

②可變報頭：“/sys/a1Dm4VEK8BR/aliyun_dev/thing/event/property/post” （UTF-8編碼）

③報文負載如下：

{"method":"thing.event.property.post","id":"00000001","params":{"LEDSwitch":0},"version":"1.0.0"}，注意此處method中的內容不同于阿里云服務器發送訊息的method內容，ID我們填寫00000001，內容是使LED的狀態為0（也可以設定為1），版本號填寫“1.0.0”便可，

綜上3點我們最終的報文為：30 98 01 00 35 2F 73 79 73 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 74 68 69 6E 67 2F 65 76 65 6E 74 2F 70 72 6F 70 65 72 74 79 2F 70 6F 73 74 7B 22 6D 65 74 68 6F 64 22 3A 22 74 68 69 6E 67 2E 65 76 65 6E 74 2E 70 72 6F 70 65 72 74 79 2E 70 6F 73 74 22 2C 22 69 64 22 3A 22 30 30 30 30 30 30 30 31 22 2C 22 70 61 72 61 6D 73 22 3A 7B 22 4C 45 44 53 77 69 74 63 68 22 3A 30 7D 2C 22 76 65 72 73 69 6F 6E 22 3A 22 31 2E 30 2E 30 22 7D

連接阿里云后，我們發送上述最終報文，結果如圖6.2所示，我們成功使LEDSwitch的狀態變為0，

圖6.1 網路除錯助手接收阿里云的訊息

圖6.2 網路除錯助手向阿里云發送訊息

第七節 網路除錯助手直連阿里云極速體驗

第一步，如圖7.1打開網路除錯助手 V5.0，選擇協議型別為“TCP Client”，接收區設定為HEX，發送區設定為HEX，將遠程主機地址填寫為“a1Dm4VEK8BR.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com”，埠填寫“1883”，在點擊連接前先將資料“10 7A 00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 64 00 2c 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 7C 73 65 63 75 72 65 6D 6F 64 65 3D 33 2C 73 69 67 6E 6D 65 74 68 6F 64 3D 68 6D 61 63 73 68 61 31 7C 00 16 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 26 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 00 28 38 62 64 63 38 34 66 39 39 36 33 31 30 35 64 36 35 62 64 63 37 39 62 36 63 62 33 61 63 30 63 65 63 39 63 65 31 61 61 39”復制入資料發送框！然后點擊連接，再點擊發送，云端回傳“20 02 00 00”！表示阿里云連接成功了！注意！100秒內將第二步的資料發給阿里云，否則阿里云將會自動斷開連接的，

第二步，我們嘗試在阿里云訂閱，發送和接收設定一定要為HEX，發送的資料為“82 25 00 0a 00 20 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 75 73 65 72 2F 4C 45 44 00”，如圖7.2所示我們點擊發送資料，云端回傳“90 03 00 0A 01”！表示訂閱成功了！注意！100秒內將第三步的資料發給阿里云，否則阿里云將會自動斷開連接的，

第三步，我們嘗試取消第二步的訂閱，發送和接收設定一定要為HEX，發送的資料為“a2 24 00 0a 00 20 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 75 73 65 72 2F 4C 45 44”，如圖7.3所示我們點擊發送資料，云端回傳“B0 02 00 0A”，表示我們取消了第二步的訂閱！注意！100秒內將第四步的資料發給阿里云，否則阿里云將會自動斷開連接的，

第四步，我們嘗試發送訊息給阿里云，發送和接收設定一定要為HEX，發送的資料為“30 98 01 00 35 2F 73 79 73 2F 61 31 44 6D 34 56 45 4B 38 42 52 2F 61 6C 69 79 75 6E 5F 64 65 76 2F 74 68 69 6E 67 2F 65 76 65 6E 74 2F 70 72 6F 70 65 72 74 79 2F 70 6F 73 74 7B 22 6D 65 74 68 6F 64 22 3A 22 74 68 69 6E 67 2E 65 76 65 6E 74 2E 70 72 6F 70 65 72 74 79 2E 70 6F 73 74 22 2C 22 69 64 22 3A 22 30 30 30 30 30 30 30 31 22 2C 22 70 61 72 61 6D 73 22 3A 7B 22 4C 45 44 53 77 69 74 63 68 22 3A 31 7D 2C 22 76 65 72 73 69 6F 6E 22 3A 22 31 2E 30 2E 30 22 7D”如圖7.4所示發送成功！（阿里云不會回傳資料的）

至此，極速體驗完成，如果想知道上述發送資料的含義和回傳資料的含義，或者連接自己的阿里云，請看本文其它章節，上述操作的阿里云是作者本人的阿里云，將會長期有效，但并不一定永久有效的！

圖7.1 連接阿里云

圖7.2 阿里云訂閱

圖7.3 取消阿里云訂閱

圖7.4 發送訊息給阿里云