MQTT协议14种报文分析.doc

MQTT协议14种报文分析实习报告课 程 名 称: _实 习 题 目: _ 专 业 班 级: _学 生 姓 名: _学 号: _实 习 成 绩: 指导教师签名： 年 月 日实习时间实习地点实习学时实习目的学习MQTT协议，对各个MQTT报文进行协议分析。学习java语言的socket编程基础，利用paho库实现MQTT客户端程序。实习内容利用相关工具捕获MQTT协议的相关报文，分析MQTT协议的14种报文。学会直接构造MQTT报文，完成通信，并理解回调机制实习要求记录MQTT实验过程、截图分析并说明利用socket直接构造MQTT报文，完成与服务器进行通信，实现连接服务器、订阅主题、发送消息等功能。利用paho库实现MQTT客户端，实现所有功能，并理解回调机制实习主要设施设备装有WiresharkPortable、paho、mosquitto、npcap、jdk-8u112-windows-i586等程序的PC机一台实习成果对MQTT协议有了一定的认识，知道如何分析各种报文。对MQTT协议编程有了一定的基础和了解。实习报告1 引言1.1系统概述MQTT协议的分析与编程实验1.2 需求分析 基于轻量级代理的发布/订阅协议，更为简约、轻量，易于使用，针对受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定），属于物联网的一个传输协议。设计思想是开放、简单、轻量、易于实现。1.3 运行环境装并打开mosquitto服务器；安装MQTT客户端EclipsePahoMQTT；安装npcap；安装WiresharkPortable协议分析软件；安装jdk；Window7系统。构造服务器环境。2 协议分析实验2.1 实验准备实验环境：JDK环境实验方法及步骤：1.MQTT服务器端mosquitto（1）下载并安装mosquitto（2）确认安装完后，所有所有的程序都安装在这个目录下，C:Program Files (x86)mosquitto。如果你不想在其他的操作系统上也执行安装程序，把C:Program Files (x86)mosquitto这个文件夹拷贝到任何路径（3）进入d:mosquitto，输入下面的命令， cd d:mosquitto mosquitto -p 1883 -v -p 代表当前的mosquitto服务实例启动以后，其监听端口号，这个配置的覆盖-c config file 指定的配置文件中的端口 -v 代码调试模式（verbose）可以输出更多的信息 2.MQTT客户端Eclipse Paho MQTT （1）下载解压缩后，双击paho.exe，打开后的对界面如下 （2）点击上图中的 十字图标，就能新建一个MQTT的客户端的连接，输入正确的MQTT服务端的连接地址， （3）这个时候我们就能订阅消息了。选择“Subscription”下方的绿色十字图标，就可以输入订阅的主题（topic）的名字，比如我们设置主题名称为“test”，并点击“Subscribe”按钮（4）往MQTT服务发送一条某一主题的MQTT消息。然后点击“Publish”按钮，这个时候，我们就能看到消息已经发送成功，且在步骤（3）订阅的同一主题也收到了消息。3.安装和使用协议分析软件wireshark （1）安装WiresharkPortable_2.2.1.paf.exe（2）捕获MQTT协议报文（3）在Wireshark中，分为capture filter和Display Filer，我们只需要在WireShark软件中的capture filter 输入下面的过滤条件，则与MQTT服务交互的相关TCP的数据包就能抓取到。如下图所示意. 这个时候，我们先启动WireShark，然后点击Eclipse Paho MQTT工具的“Connect”，这个时候WireShark就能抓取下面的TCP数据包。2.2 主要实验步骤操作：按照“MQTT-3.1.1-CN”文档各种报文的实现方法依次实现，抓包结果截图，结合参考文档分析实验结果。结果：如下各图所示14种报文分析说明具体如下：1.CONNECT 连接服务端分析说明：固定报头：0001 0000其中MQTT报文控制类型0001，保留位0000剩余长度字段：为16进制的1c，表示剩余长度等于可变报头的长度（10字节）加上有效载荷的长度为28。可变报头：CONNECT报文的可变报头按下列次序包含四个字段：协议名（Protocol Name），协议级别（Protocol Level），连接标志（Connect Flags）和保持连接（Keep Alive）协议名字节构成：00 04 4d 51 54 54，表示长度为4的“MQTT”协议名称协议级别字节构成：04，对于3.1.1版协议，协议级别字段的值是4(0x04)。连接标志：02，对应2进制0000 0010，服务端必须验证CONNECT控制报文的保留标志位（第0位）是否为0，如果不为0必须断开客户端连接 。清理会话位置为连接标志字节的第1位 ，清理会话标志被设置为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。遗嘱标志位置为连接标志的第2位，遗嘱标志被设置为0，连接标志中的Will QoS和Will Retain字段必须设置为0，并且有效载荷中不能包含Will Topic和Will Message字段，网络连接断开时，不能发送遗嘱消息。遗嘱QoS位置为连接标志的第4和第3位。这两位用于指定发布遗嘱消息时使用的服务质量等级，因为此例遗嘱标志位置被置0，所以0，遗嘱QoS也必须设置为0(0x00) 遗嘱保留位置为连接标志的第5位。 遗嘱标志被设置为0，遗嘱保留（Will Retain）标志也必须设置为0 用户名标志位置为连接标志的第7位。此例用户名标志被设置为0，有效载荷中不能包含用户名字段密码标志位置为连接标志的第6位。因为此例用户名标志被设置为0，密码标志也必须设置为0 保持连接：保持连接字节为00 3c，其中保持连接KeepAliveMSB为00，保持连接KeepAliveLSB为3c有效载荷：00 10 70 61 68 6f 38 37 32 32 38 35 35 32 31 39 34 3，其中表示随后长度为16，此例有效载荷只有客户端标识符即paho 8722855219412.CONNACK 确认连接请求 3. PUBLISH-发布消息：分析说明：以Q0S=1为例：固定报头：0011 0010，其中MQTT报文控制类,0011，保留位0010，重发标志位置为第1个字节，第3位，DUP=0，表示这是客户端或服务端第一次请求发送这个PUBLISH报文。服务质量等级位置为第1个字节，第2-1位，QoS=01，表示至少分发一次。保留标志位置为第1个字节，第0位，例图中为0.剩余长度字段：为16进制的0a，表示可变报头的长度。表示可变报头的长度加上有效载荷的长度为10.可变报头：为16进制的00 03 31 31 30 00 06 31 32 33，00 03表示主题长度为3,31 31 30即主题名110,00 06为报文标识符，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的06，31 32 33为发布内容123有效载荷：有效载荷包含将被发布的应用消息。数据的内容和格式是应用特定的。有效载荷的长度这样计算：用固定报头中的剩余长度字段的值减去可变报头的长度。包含零长度有效载荷的PUBLISH报文是合法的。此例的有效载荷即为零长度。4.PUBACK 发布确认分析说明：固定报头：0100 0000，其中MQTT报文控制类,0100，保留位0000剩余长度字段：为16进制的02，表示可变报头的长度。对PUBREL报文这个值等于2. 可变报头：为16进制的00 06，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的06有效载荷：PUBACK报文没有有效载荷。 5.PUBREC 发布收到QoS2第一步分析说明：固定报头：0101 0000，其中MQTT报文控制类,0101，保留位0000剩余长度字段：为16进制的02，表示可变报头的长度。对PUBREL报文这个值等于2. 可变报头：为16进制的00 07，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的07有效载荷：PUBREC报文没有有效载荷。 6.PUBREL 发布释放QoS2第二步分析说明：固定报头：0110 0010，其中MQTT报文控制类,0110，保留位0010剩余长度字段：为16进制的02，表示可变报头的长度。对PUBREL报文这个值等于2. 可变报头：为16进制的00 07，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的07有效载荷：PUBREL报文没有有效载荷。 7.PUBCOMP 发布完成QoS2第三步分析说明：固定报头：0111 0000，其中MQTT报文控制类,0111，保留位0000剩余长度字段：为16进制的02，表示可变报头的长度，对PUBCOMP报文这个值等于2。 可变报头：为16进制的00 07，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的07有效载荷：PUBCOMP报文没有有效载荷。 8.SUBSCRIBE - 订阅主题 分析说明：固定报头：1000 0010，其中MQTT报文控制类,1000，保留位0010剩余字段长度：为16进制的08，表示可变报头的长度（2字节）加上有效载荷的长度为8可变报头：为16进制的00 01，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的01有效载荷：为16进制的00 03 31 31 30 00，其中MSB为00，LSB为03，主题过滤为31 31 30即110，00表示服务质量等级QoS为0。9 SUBACK 订阅确认 分析说明：固定报头：1001 0000，其中MQTT报文控制类,1001，保留位0000剩余长度字段为16进制的03，表示可变报头的长度加上有效载荷的长度为3可变报头：为16进制的00 01，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的01有效载荷：为16进制的00，对应2进制即为返回码0000 0000，返回码值为0x00 -最大QoS 0 10 UNSUBSCRIBE 取消订阅 分析说明：固定报头：1010 0010其中MQTT报文控制类型1010，保留位0010剩余长度字段 为16进制的07，表示可变报头的长度加上有效载荷的长度为7可变报头：16进制的00 02，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的02有效载荷：16进制的 00 03 31 31 30,其中00 03表示想要取消订阅的主题长度为3，想要取消的主题为31 31 30即110。11 UNSUBACK 取消订阅确认 分析说明：固定报头：1011 0000其中MQTT报文控制类型1011，保留位0000.剩余长度字段为：16进制的02，表示可变报头的长度，对UNSUBACK报文这个值等于2可变报头：16进制的00 02，其中报文标识符MSL为16进制的00，报文标识符LSB为16进制的02有效载荷：UNSUBACK报文没有有效载荷。 12 PINGREQ 心跳请求 分析说明：固定报头：1100 0000，其中MQTT报文控制类型1100，保留位00000可变报头：PINGREQ报文没有可变报头。 有效载荷：PINGREQ报文没有有效载荷。13 PINGRESP 心跳响应 分析说明：固定报头：1101 0000，其中MQTT报文控制类,1101，保留位0000可变报头：PINGRESP报文没有可变报头。 有效载荷：PINGRESP报文没有有效载荷。14 DISCONNECT 断开连接分析说明：固定报头：1110 0000，其中MQTT报文控制类型1110，保留位0000可变报头：DISCONNECT报文没有可变报头。 有效载荷：DISCONNECT报文没有有效载荷。2.3 思考与总结1.说明paho和mosquitto的作用，它们与发布/订阅模式的关系。Paho是MQTT服务器客户端，Mosquitto是MQTT服务器端，助paho和mosquitto均可作为MQTT服务器的实现,可实现发布/订阅模式2.MQTT中变长字段有哪些？接收端如何判断变长字段结束？MQTT中变长字段有剩余长度，当剩余长度字段的标志位为0时表示变长字段结束。3.构造、捕获并分析带有客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码的Connect消息。分析说明：固定报头：0001 0000报文控制类型0001，保留位0000剩余长度字段：为16进制的32，表示剩余长度等于可变报头的长度（10字节）加上有效载荷的长度为50.可变报头：CONNECT报文的可变报头按下列次序包含四个字段：协议名（Protocol Name），协议级别（Protocol Level），连接标志（Connect Flags）和保持连接（Keep Alive）协议名字节构成：00 04 4d 51 54 54，表示长度为4的“MQTT”协议名称协议级别字节构成：04，对于3.1.1版协议，协议级别字段的值是4(0x04)。连接标志：c6，对应2进制1100 0110，服务端必须验证CONNECT控制报文的保留标志位（第0位）是否为0，如果不为0必须断开客户端连接 。清理会话位置为连接标志字节的第1位 ，清理会话标志被设置为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。遗嘱标志位置为连接标志的第2位，遗嘱标志被设置为1，表示如果连接请求被接受了，遗嘱（Will Message）消息必须被存储在服务端并且与这个网络连接关联。之后网络连接关闭时，服务端必须发布这个遗嘱消息，除非服务端收到DISCONNECT报文时删除了这个遗嘱消息。且连接标志中的Will QoS和Will Retain字段会被服务端用到，同时有效载荷中必须包含Will Topic和Will Message字段。遗嘱QoS位置为连接标志的第4和第3位。这两位用于指定发布遗嘱消息时使用的服务质量等级，因为此例遗嘱标志位置被置0，所以0，遗嘱QoS也必须设置为0(0x00) 遗嘱保留位置为连接标志的第5位。此例遗嘱保留被设置为0且遗嘱标志被设置为1，服务端必须将遗嘱消息当作非保留消息发布。用户名标志位置为连接标志的第7位。此例用户名标志被设置为1，有效载荷中必须包含用户名字段。密码标志位置为连接标志的第6位。此例密码标志被设置为1，有效载荷中必须包含密码字段保持连接：保持连接字节为00 3c，其中保持连接KeepAliveMSB为00，保持连接KeepAliveLSB为3c有效载荷：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表示随后客户端标识符长18个字节即paho 0554755057780，接着00 03表示随后的遗嘱主题长3个字节即110，接着00 03表示随后的遗嘱消息长3个字节即110，接着00 03表示随后的用户名长3个字节即110，接着00 03表示随后的密码长3个字节即1104. 构造、捕获并分析订阅多个不同Qos级别的主题Subscribe消息。同时订阅QoS级别分别为0、1、2的消息。 三种方式固定头部的前两个字节均为：82 表示为请求订阅；Qos表示字段仅仅跟着Topic字段之后，16进制代码为：00 01 10表示为0 1 2三种情况。5.构造、捕获并分析长度大于 127 字节的报文。当出现大于127字节的报文时，会在PUBLISH后出现几个TCP报文；TCP报文的数据内筒不一样，但序号相同。6.构造、捕获并分析Qos=1和Qos=2时丢包的处理情况。以上是QoS=1以上是QoS=27.学习3种QoS消息的特性，通过实验填写下表内容发布消息的QoS 0 0 0 1 Topic订阅的QoS 0 1 2 0 接收消息的QoS 0 0 0 0发布消息的QoS 1 1 2 2 2 Topic订阅的QoS 1 2 0 1 2 接收消息的QoS 1 1 0 1 23协议编程实验过程3.1 实验准备实验环境：JDK环境实验方法及步骤：1.安装JDk2.安装eclipse3.打开paho软件4.在eclipse中调试JAVA软件3.2 主要实验步骤1.安装JAVA编程环境2.下载pahoMqttclient.Jar包3.利用socke直接构造MQTT报文，完成与服务器进行通信，实现连接服务器、订阅主题、发送消息等功能。4.利用paho库实现MQTT客户端，实现所有功能，并理解回调机制。5.结果作为客户端作为服务器端回调机制：SimpleMqttClient类实现MqttCallback接口 SimpleMqttClient类中包含一个MqttClient的引用myClientMqttClient类有一个参数为setCallback的方法SimpleMqttClient的对象smc调用runClient方法然后myClient就可以在setCallback中调用SimpleMqttClient的this方法回调方法是把功能定义和功能实现分离的一种手段，是一种松耦合的设计思想。同步调用是一种阻塞式调用，也是我们在写程序中经常使用的；回调是一种双向的调用模式，也就是说，被调用的接口被调用时也会调用对方的接口。3.3 思考与总结了解了java语言的socket编程基础，学会了利用paho库实现MQTT客户端程序。心得与体会通过几天的实训了解了MQTT协议对在物联网专业的应用，利用相关工具捕获MQTT协议的相关报文，学习了如何分析MQTT协议中14种报文。知道如何用paho库实现MQTT客户端程序。让我对物联网有了新的认识。参考文献 1 皮德常.c+程序设计教程.机械工业出版社.2013 2 陈锐.Java程序设计.机械工业出版社.2011