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在上一篇文章，直接在本地搭建了服務器和客戶端，簡單的實踐了MQTT的用法。而這一篇來解析MQTT的報文格式。MQTT的報文字段很精簡。但是解析起來還是有些復雜的。

解析報文最好的工具是采用wireshark抓包，不過我發(fā)現，wireshark的2.xxx的版本無法進行回環(huán)抓包（即無法抓取127.0.0.1的數據報文）。通過一番度娘，發(fā)現新版本的wireshark用Npcap替換WinPcap，Npcap是基于WinPcap 4.1.3開發(fā)的，api兼容WinPcap。

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MQTT報文

MQTT報文格式

MQTT的報文字段主要包含3部分，如下表：

名稱	說明
Fixed header(固定報文頭)	所有MQTT報文都包含
Variable header(可變報文頭)	只有部分MQTT報文包含
Payload(MQTT數據段)	只有部分MQTT報文包含

MQTT固定報文頭[Fixed header]

每個MQTT報文都包含一個固定報文頭，固定報文頭部格式如下：

bit76543210 +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+ |Byte1|MQTT控制報文類型|指定控制報文類型的標志| +-----+-----------------------------------------------| |Byte2|剩余長度| +-----+-----------------------------------------------| |...|剩余長度| +-----------------------------------------------------|

MQTT控制報文類型

MQTT的控制報文類型在固定報文頭的第1個字節(jié)的4 ~ 7bit，共4位無符號值。這些值如下表描述：

類型	值	報文方向	描述
RESERVED	0	禁止	保留
CONNECT	1	客戶端到服務端	客戶端請求連接服務器
CONNACK	2	服務端到客戶端	連接報文確認
PUBLISH	3	雙向	發(fā)布消息
PUBACK	4	雙向	QoS 1消息發(fā)布收到確認
PUBREC	5	雙向	發(fā)布收到(保證交付第一步)
PUBREL	6	雙向	發(fā)布釋放(保證交付第二步)
PUBCOMP	7	雙向	QoS 2消息發(fā)布完成
SUBSCRIBE	8	客戶端到服務端	客戶端訂閱請求
SUBACK	9	服務端到客戶端	訂閱請求報文確認
UNSUBSCRIBE	10	客戶端到服務端	客戶端取消訂閱請求
UNSUBACK	11	服務端到客戶端	取消訂閱請求報文確認
PINGREQ	12	客戶端到服務端	心跳請求
PINGRESP	13	服務端到客戶端	心跳響應
DISCONNECT	14	客戶端到服務端	客戶端斷開連接
RESERVED	15	禁止	保留

MQTT控制報文標志

MQTT的控制報文標志在固定報文頭的第1個字節(jié)的4 ~ 7bit，包含每個MQTT報文類型的特定的標志。

注意：如果接收方收到非法的標志，接受者必須關閉網絡連接。標志如下表：

其中：

DUP：控制報文的重復分發(fā)標志

QoS：PUBLISH報文的服務質量等級

RETAIN：PUBLISH報文的保留標志

類型	報文標志	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0
CONNECT	Reserved	0	0	0	0
CONNACK	Reserved	0	0	0	0
PUBLISH	Used in MQTT 3.1.1	DUP	QoS	QoS	RETAIN
PUBACK	Reserved	0	0	0	0
PUBREC	Reserved	0	0	0	0
PUBREL	Reserved	0	0	1	0
PUBCOMP	Reserved	0	0	0	0
SUBSCRIBE	Reserved	0	0	1	0
SUBACK	Reserved	0	0	0	0
UNSUBSCRIBE	Reserved	0	0	1	0
UNSUBACK	Reserved	0	0	0	0
PINGREQ	Reserved	0	0	0	0
PINGRESP	Reserved	0	0	0	0
DISCONNECT	Reserved	0	0	0	0

MQTT報文剩余長度

剩余長度字段從固定報文頭的第2個字節(jié)開始，最長可達4個字節(jié)，所以剩余長度訪問是Byte[2 ~ 5]。

剩余長度表示當前報文剩余部分的字節(jié)數，包含可變頭部和Payload。

上面的描述，那么怎么確定其長度用幾個字節(jié)來描述呢？答案：取決于字節(jié)的最高位Bit7（默認都是在搞自己在前）；如果Bit7為1，那么需要繼續(xù)計算字節(jié)長度，如果Bit7為0，那么不需要繼續(xù)計算字節(jié)長度。

消息長度可以簡單理解為128禁止的數據，4位長度最大可以表示：128 * 128 * 128 * 128 Byte = 256MB。

需注意計算規(guī)則，低位在前，高位在后，字節(jié)最高位Bit7標記是否繼續(xù)計算消息長度。其消息長度范圍如下表：

字節(jié)	最小值	最大值
1	0(0x00)	127(0x7F)
2	128(0x80, 0x01)	16383(0xFF, 0X7F)
3	16384(0x80, 0x80, 0x01)	2097151(0xFF, 0xFF, 0x7F)
4	2097152(0x80, 0x80, 0x80, 0x01)	268435455(0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)

舉例：

第一字節(jié)最高位是1，需要繼續(xù)向后計算，去掉標記位(0xC1%128)，得到1000001=41

第二字節(jié)最高位是1，需要繼續(xù)向后計算，去掉標記位(0xC2%128)，得到1000010=42

第三字節(jié)最高位是0，不需要向后計算，其結果就是0x33=51

因為低位在前，高位在后，即消息長度為：41 + 42 * 128 + 51 * 128 * 128=841001Byte = 821KB

0xC1 = 11000001

0xC2 = 11000010

0x33 = 00110011

消息長度是0x60，其二進制是01100000b，字節(jié)最高位Bit7位0，所以不需要往后計算，其十進制是96（即消息長度為96個字節(jié)）。

消息長度是0xC1, 0xC2, 0x33。分別二進制為：

MQTT可變報文頭[Variable header]

在某些MQTT控制報文包含了一個可變報文頭部分，它在固定報文頭和payload之間，可變報頭的內容根據報文類型的不同而不同，可變報頭的報文標識符（Packet Identifier）字段存在與多個類型的報文里。可變報頭其實就是MQTT開發(fā)中使用的Packet ID,通過Packet ID 進行一些操作確認。包含Packet ID的報文類型如下：

類型	包含可變報文頭
PUBLISH	√(QoS > 0)
PUBACK	√
PUBREC	√
PUBREL	√
PUBCOMP	√
SUBSCRIBE	√
SUBACK	√
UNSUBSCRIBE	√
UNSUBACK	√

Packet ID默認是從1開始并自增，如果一個Packet ID被用完后，這個Packet ID可以被重用。對于PUBLISH(QoS 1)來說，如果發(fā)送端接收到PUBACK，那么這個Packet ID就用完了。對于PUBLISH(QoS 2)，如果接收方收到PUBCOMP，那么這個Packet ID就用完了。對于SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE，Packet ID使用完成的標記是發(fā)送方收到了對應的SUBACK和UNSUBACK。

MQTT數據段[Payload]

MQTT中有些報文類型是包含Payload

如PUBLISH的Payload指消息內容。

如CONNECT的Payload指Client Identifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息

包含Payload的報文類型如下：

類型	包含Payload
CONNECT	√
PUBLISH	可選
SUBSCRIBE	√
SUBACK	√
UNSUBSCRIBE	√

通過wireshark分析MQTT報文

因為我們的服務器和客戶端是在PC上搭建的，所以需要通過wireshark的回環(huán)抓包，來分析報文類型CONNECT和CONNACK。

打開wireshark，選擇進行回環(huán)抓包

使用MQTT.fx創(chuàng)建一個客戶端，點擊連接，便可以抓到CONNECT和CONNACK的報文。

紅色圈子的報文類型CONNECT的內容：

內容： 1025 00044d515454 04 c2 003c 0008636c69656e743031 000561646d696e 00083132333435363738

報文類型CONNECT內容分析：

0x10：高四位0001，代表報文類型：CONNECT。

0x25：二進制-0010 0101，Bit7為0，所以剩余長度只有一個字節(jié)長，即0x25十進制：37個字節(jié)

0x00 0x04 0x4d 0x51 0x54 0x54：其中-0x00，0x04表示協(xié)議長度；0x4d 0x51 0x54 0x54對應 "M", "Q", "T", "T"。

0x04：代表MQTT版本號：v3.1.1

0xc2: 次字節(jié)含義如下表，該字節(jié)描述緊跟數據有 User Name、Password，沒有遺囑設置，選擇了清理會話方式與服務器連接。

Bit	7	6	5	4	3	2	1	0
含義	User Name Flag	Password Flag	Will Retain Flag	Will QoS MSB	Will QoS LSB	Will Flag	Clean session	Rreserved
值	1	1	0	0	0	0	1	0

00 3c：對應十進制為60，即保持連接(Keep Alive)60秒，以秒為單位，它是指在客戶端傳輸完成一個控制報文的時刻到發(fā)送下一個報文的時刻，兩者之間允許空閑的最大時間間隔。客戶端負責保證控制報文發(fā)送的時間間隔不超過保持連接的值。如果沒有任何其它的控制報文可以發(fā)送，客戶端必須發(fā)送一個PINGREQ 報文?？蛻舳穗S時可以發(fā)送ping指令，服務器如果發(fā)現在KeepAalive時間內沒有收到客戶端的消息，會自動斷開與客戶端建立的連接。

00 08 63 6c 69 65 6e 74 30 31：其中-0x00， 0x08表示clientID的長度8個字節(jié)；0x63，0x6c，0x69，0x65，0x6e，0x74，0x30，0x31：代表client01。即是我們在MQTT.fx創(chuàng)建客戶端的時候設置clientID。

00 05 61 64 6d 69 6e：其中-0x00，0x05表示User Name的的長度5個字節(jié)；0x61，0x64，0x6d，0x69，0x6e：代表User Name為admin，即是我們在MQTT.fx創(chuàng)建客戶端的時候設置User Name。

00 08 31 32 33 34 35 36 37 38：其中-0x00，0x08表示User Name的的長度8個字節(jié)；0x31，0x32，0x33，0x34，0x35，0x36，0x37，0x38：代表Password為12345678，即是我們在MQTT.fx創(chuàng)建客戶端的時候設置Password。

紅色圈子的報文類型CONNACK的內容：

內容： 20 02 00 00

報文類型CONACK內容分析：

20：高四位0010，代表報文類型：CONNACK。

02：二進制-0000 0010，Bit為0，所以剩余長度只有一個字節(jié)長，即0x02十進制：2個字節(jié)。

00：可變頭部的第一個字節(jié)的第0位連接確認。

00：可變頭部的第二個字節(jié)。

值	返回碼響應	描述
0	0x00連接已接受	連接已被服務器接受
1	0x01連接已拒絕，不支持的協(xié)議版本	服務器不支持客戶端請求的協(xié)議版本
2	0x02連接已拒絕，不合格的客戶端ID	客戶端ID是正確的UTF-8碼，但服務器不允許使用
3	0x03連接已拒絕，服務端不可用	網絡連接已建立，但MQTT服務不可用
4	0x04連接已拒絕，無效的用戶名或密碼	用戶名或密碼的數據格式無效
5	0x05連接已拒絕，未授權	客戶端未被授權連接到此服務器
6-255	Reserved	保留