C语言代码封装MQTT协议报文,了解MQTT协议通信过程

描述

【1】MQTT协议介绍

MQTT是一种轻量级的通信协议,适用于物联网(IoT)和低带宽网络环境。它基于一种“发布/订阅”模式,其中设备发送数据(也称为 “发布”)到经纪人(称为MQTT代理),这些数据被存储,并在需要时被转发给订阅者。这种方式简化了网络管理,允许多个设备在不同的网络条件下进行通信(包括延迟和带宽限制),并支持实时数据更新。它是开放的,可免费使用并易于实施。

【2】MQTT协议报文字段介绍

MQTT协议报文由两部分组成:固定报头和可变报头。

固定报头的格式是统一的,其中包括了报文类型和剩余长度两个字段。

可变报头的格式取决于报文类型。

下面是MQTT协议中各个报文类型的可变报头字段说明。

(1)CONNECT:MQTT连接请求报文

CONNECT报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节(即报文类型和标志位的组合)为0x10,表示这是一个CONNECT报文。

可变报头包括了以下字段:

协议名(Protocol Name):用于标识MQTT协议的名称,固定为字符串"MQTT";

协议级别(Protocol Level):用于标识所使用的MQTT协议的版本号,一般情况下为4;

连接标志(Connect Flags):用于设置各种连接选项,其中包括:

  • 用户名/密码(Username/Password):用于对连接进行身份验证;
  • 清理会话(Clean Session):表示客户端需要清除服务器上旧的Session信息;
  • 遗嘱标志(Will Flag):表示客户端是否需要在与服务器的连接意外断开时发送遗嘱信息;
  • 遗嘱QoS(Will QoS):用于设置遗嘱消息的服务质量等级;
  • 遗嘱保留(Will Retain):表示遗嘱消息是否需要被服务器保留;
  • 用户名标志(Username Flag):表示客户端是否需要发送用户名字段;
  • 密码标志(Password Flag):表示客户端是否需要发送密码字段。

保持连接(Keep Alive):用于设置心跳包的发送间隔时间,以便客户端和服务器之间保持连接。

(2)CONNACK:MQTT连接响应报文

CONNACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x20,表示这是一个CONNACK报文。

可变报头包括了以下字段:

  • 连接应答(Connect Acknowledgment):用于表示连接是否成功,一般为0表示成功,其他值表示失败;
  • 保留标志(Reserved Flag):保留字段,必须为0。

(3)PUBLISH:MQTT发布消息报文

PUBLISH报文包括固定报头和可变报头两部分,以及消息体。其中,固定报头的第一个字节由报文类型和QoS级别组合而成,QoS级别可以为0、1或2。

可变报头包括了以下字段:

  • 主题名(Topic Name):用于标识消息的主题;
  • 报文标识符(Packet Identifier):用于在QoS级别为1或2时确认消息分发的情况,如果为0则表示QoS级别为0。

消息体包括了要发布的消息内容。

(4)PUBACK:MQTT发布确认报文

PUBACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x40,表示这是一个PUBACK报文。

可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为1的发布消息。

(5)PUBREC:MQTT发布接收报文

PUBREC报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x50,表示这是一个PUBREC报文。

可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为2的发布消息。

(6)PUBREL:MQTT发布释放报文

PUBREL报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x62,表示这是一个PUBREL报文。

可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为2的发布消息。

(7)PUBCOMP:MQTT发布完成报文

PUBCOMP报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x70,表示这是一个PUBCOMP报文。

可变报头仅包括一个报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认QoS级别为2的发布消息。

(8)SUBSCRIBE:MQTT订阅请求报文

SUBSCRIBE报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x82,表示这是一个SUBSCRIBE报文。

可变报头包括了以下字段:

  • 报文标识符(Packet Identifier):用于确认订阅请求的情况;
  • 订阅主题(Subscription Topic):用于设置订阅的主题;
  • 服务质量等级(QoS Level):用于设置订阅请求使用的服务质量等级,可以为0、1或2。

(9)SUBACK:MQTT订阅确认报文

SUBACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0x90,表示这是一个SUBACK报文。

可变报头包括了以下字段:

  • 报文标识符(Packet Identifier):用于确认订阅请求的情况;
  • 订阅确认等级(Subscription Acknowledgment):用于确认订阅请求的服务质量等级,可以为0、1或2。

(10)UNSUBSCRIBE:MQTT取消订阅报文

UNSUBSCRIBE报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xA2,表示这是一个UNSUBSCRIBE报文。

可变报头包括了以下字段:

  • 报文标识符(Packet Identifier):用于确认取消订阅请求的情况;
  • 订阅主题(Subscription Topic):用于设置要取消订阅的主题。

(11)UNSUBACK:MQTT取消订阅确认报文

UNSUBACK报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xB0,表示这是一个UNSUBACK报文。

可变报头仅包含报文标识符(Packet Identifier)字段,用于确认取消订阅请求。

(12)PINGREQ:MQTT心跳请求报文

PINGREQ报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xC0,表示这是一个PINGREQ报文。

PINGREQ报文不包含可变报头字段。

(13)PINGRESP:MQTT心跳响应报文

PINGRESP报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xD0,表示这是一个PINGRESP报文。

PINGRESP报文不包含可变报头字段。

(14)DISCONNECT:MQTT断开连接报文

DISCONNECT报文包括固定报头和可变报头两部分。其中,固定报头的第一个字节为0xE0,表示这是一个DISCONNECT报文。

DISCONNECT报文不包含可变报头字段。

【3】封装MQTT协议

这是一个使用C语言在Linux下建立TCP通信并发送MQTT报文的例子。 根据MQTT报文自己封装协议。

 #include 
 #include 
 #include 
 #include 
 #include 
 #include 
 ​
 // 定义MQTT报文类型
 #define MQTT_CONNECT    0x10
 #define MQTT_CONNACK    0x20
 #define MQTT_PUBLISH    0x30
 #define MQTT_PUBACK     0x40
 #define MQTT_SUBSCRIBE  0x80
 #define MQTT_SUBACK     0x90
 #define MQTT_UNSUBSCRIBE    0xA0
 #define MQTT_UNSUBACK   0xB0
 #define MQTT_PINGREQ    0xC0
 #define MQTT_PINGRESP   0xD0
 #define MQTT_DISCONNECT    0xE0
 ​
 // 定义MQTT连接标志
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_CLEAN     0x02
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL      0x04
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_QOS0 0x00
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_QOS1 0x08
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_QOS2 0x10
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_WILL_RETAIN   0x20
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_PASSWORD  0x40
 #define MQTT_CONNECT_FLAG_USERNAME  0x80
 ​
 // 定义MQTT报文结构体
 typedef struct mqtt_packet 
 {
     unsigned char *data;
     unsigned int length;
 }
 mqtt_packet_t;
 ​
 // 建立socket连接并返回socket文件描述符
 int socket_connect(char *address, int port) 
 {
     struct sockaddr_in server_address;
     int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
     if (socket_fd == -1) 
     {
         printf("Failed to create socket!n");
         return -1;
     }
     server_address.sin_family = AF_INET;
     server_address.sin_port = htons(port);
     if ((inet_pton(AF_INET, address, &server_address.sin_addr)) <= 0) 
     {
         printf("Invalid address/ Address not supportedn");
         return -1;
     }
     if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) < 0) 
     {
         printf("Connection Failed!n");
         return -1;
     }
     return socket_fd;
 }
 // 打包MQTT连接报文 
 mqtt_packet_t *mqtt_connect(char *client_id, char *username, char *password) 
 {
     mqtt_packet_t *packet = (mqtt_packet_t *)malloc(sizeof(mqtt_packet_t));
     unsigned char *data = (unsigned char *)malloc(256);
     unsigned int length = 0;
     // 固定报头 
     data[length++] = MQTT_CONNECT;
     // 可变报头 
     data[length++] = 0x0C;
     // 清理会话标志和协议版本号
     data[length++] = 'M';
     data[length++] = 'Q';
     data[length++] = 'T';
     data[length++] = 'T';
     data[length++] = 0x04;
     // 协议版本号 // 连接标志 
     unsigned char flags = MQTT_CONNECT_FLAG_CLEAN;
     if (username != NULL) 
     {
         flags |= MQTT_CONNECT_FLAG_USERNAME;
     }
     if (password != NULL) 
     {
         flags |= MQTT_CONNECT_FLAG_PASSWORD;
     }
     data[length++] = flags;
     data[length++] = 0xFF;
     // 保持连接时间低8位 
     data[length++] = 0xFF;
     // 保持连接时间高8位 // 剩余长度 
     unsigned char remaining_length = length - 1;
     data[remaining_length++] = (unsigned char)(length - 2);
     packet->data = data;
     packet->length = length;
     return packet;
 }
 // 发送MQTT报文 
 void mqtt_send(int socket_fd, mqtt_packet_t *packet) 
 {
     if (send(socket_fd, packet->data, packet->length, 0) < 0) 
     {
         printf("Failed to send message!n");
     }
 }
 // 接收MQTT报文
 int mqtt_recv(int socket_fd, mqtt_packet_t *packet) 
 {
     unsigned char header[2];
     if (recv(socket_fd, header, 2, 0) != 2) 
     {
         printf("Failed to receive message header!n");
         return -1
     }
     unsigned int remaining_length = 0;
     unsigned int multiplier = 1;
     int i = 1;
     do 
     {
         if (recv(socket_fd, &header[i], 1, 0) != 1) 
         {
             printf("Failed to receive remaining_length byte %d!n", i);
             return -1;
         }
         remaining_length += (header[i] & 127) * multiplier;
         multiplier *= 128;
         i++;
     }
     while ((header[i - 1] & 128) != 0);
     packet->length = remaining_length + i;
     packet->data = (unsigned char *)malloc(packet->length);
     memcpy(packet->data, header, 2);
     if (recv(socket_fd, packet->data + 2, packet->length - 2, 0) != packet->length - 2) 
     {
         printf("Failed to receive full message!n");
         return -1;
     }
     return 0;
 }
 ​
 ​
 int main(int argc, char *argv[]) 
 {
     // 建立 TCP 连接 
     int socket_fd = socket_connect("test.mosquitto.org", 1883);
     if (socket_fd == -1) 
     {
         printf("Failed to connect to MQTT server!n");
         return -1;
     }
     printf("Connected to MQTT server!n");
     // 打包并发送 MQTT 连接报文
     mqtt_packet_t *connect_packet = mqtt_connect("test_client", NULL, NULL);
     mqtt_send(socket_fd, connect_packet);
     printf("Sent MQTT CONNECT packet!n");
     free(connect_packet->data);
     free(connect_packet);
     // 接收 MQTT CONNACK 报文
     mqtt_packet_t *connack_packet = (mqtt_packet_t *)malloc(sizeof(mqtt_packet_t));
     if (mqtt_recv(socket_fd, connack_packet) != 0) 
     {
         printf("Failed to receive MQTT CONNACK packet!n");
         return -1;
     }
     if (connack_packet->data[1] != 0x00) 
     {
         printf("MQTT server rejected connection!n");
         return -1;
     }
     printf("Received MQTT CONNACK packet!n");
     free(connack_packet->data);
     free(connack_packet);
     // 断开 TCP 连接 close(socket_fd); return 0; 
 }
     
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