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MQTT协议中连接

发表于 更新于 分类于

MQTT协议基础(3):MQTT协议中的连接

MQTT协议中连接相关知识包括CONNECT数据包、CONNACK数据包、DISCONNECT数据包等

建立连接的过程

建立连接的过程中，如果允许Client接入，则回复一个CONNACK包，该CONNACK包的返回码为0.

如果不允许接入，则回复一个返回码不为0的CONNAK包，之后断开底层TCP连接

CONNECT数据包

数据包格式

  • 固定头

    基本样式

    关键信息：CONNECT数据包类型为1.

  • 可变头

    可变头由四部分组成：协议名称，协议版本，连接标识， Keepalive

    • 协议名称

    协议名称是一个UTF-8编码字符串，在MQTT协议中会有两个字节的前缀，用于标志字符串的长度。

    协议名称的值固定为MQTT，加上前缀共有6个字节。

    • 协议版本

    长度为1个字节，是一个无符号整数，MQTT3.1.1的版本号为4.

    • 连接标识长度为1个字节，字节中不同的位用于标识不同的连接选项。

    各位代表的含义

          
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    User Name flag
    标识消息体中是否可以包含用户名字段。置0，不能包含。置1，必须包含。

    Password Flag
    标识消息体中是否可以包含密码字段。置0，不能包含。置1，必须包含。如果用户标志置0.密码也必须置0

    Will Retain
    标识遗嘱消息被发布时是否需要保留，置0，不保留。置1，保留。

    Will QoS
    标识遗嘱消息的QoS等级

    Will Flag
    标识是否使用遗嘱消息，置1，使用遗嘱消息，同时需要保证消息体中包含Will Topic 和 Will Message字段。置0，不使用

    Clean Session
    会话清除标识。标识是否建立一个持久化连接（带有状态的保存的连接）。置0，持久化连接。  置1，非持久化连接。
    • Keeplive

以秒为单位，十六位。client和broker之间在这个时间间隔内至少要有一次消息交互，否则会认为两者之间的连接已经断开。

  • 总览

  • 消息体

    消息体包含五个字段：客户端标识符、遗愿主题、遗愿QoS、遗愿消息、用户名、密码。

    其中客户端标识符是必须的，剩余四个依据可变头中是否指定来确认是否包含相应字段。

    这些可变字段，有一个两字节的前缀来标识字段的长度。其基本字段形式如下：

    • 客户端标识应唯一，大多时候可以选择唯一硬件标志等。MQTT协议要求Client连接时必须带上Client Identifier。但是也可以接收标识符为空的CONNECT数据包，这是Broker会为Client分配一个内部唯一的标识符，如果需要持久性连接，必须自己为Client设置一个唯一的标识符。
    • 用户名&密码&遗愿消息&遗愿主题&遗愿QoS,的消息是在可变头中

    用户名标志位置1，密码标志位置1， 遗愿标志位置1时，包含这些字段。

CONNACK数据包

当Broker收到Client的CONNECT数据包后，检查并校验CONNECT数据包的内容，然后回复一个CONNACK的数据包。

  • 固定头

注意的点：报文类型为2，由于消息体为空，剩余长度就是可变头的长度，为固定值2个字节。

  • 可变头

可变头中分为两个大类：连接确认标志&连接返回码

  • 连接确认标志

    这个字节高七位均为保留位，置0. 第0位是会话存在标识位。这个位的设置遵循如下规则

          
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    如果服务端收到清理会话（CleanSession）标志为1的连接
    除了将CONNACK报文中的返回码设置为0之外，还必须将CONNACK报文中的当前会话设置（Session Present）标志为0 
     
    如果服务端收到一个CleanSession为0的连接
    当前会话标志的值取决于服务端是否已经保存了ClientId对应客户端的会话状态。
    如果服务端已经保存了会话状态，它必须将CONNACK报文中的当前会话标志设置为1。
    如果服务端没有已保存的会话状态，它必须将 CONNACK报文中的当前会话设置为0。还需要将CONNACK报文中的返回码设置为0

    另外返回码设置为0，意味着连接成功情况。当连接不成功时，返回码不为0的情况时。
    它必须将 CONNACK报文中的当前会话设置为0

  • 连接返回码

具有如下几种情况

关闭连接

两种情况：Client主动关闭&&Broker主动关闭。

  • Client主动关闭

    Client需要主动发送一个DISCONNECT数据包。该数据包只有固定头，没有可变头和消息体。

    固定头格式如下

    发布该数据包之后，主动断开底层tcp连接，不必等待Broker的回复。

    发送这个数据包的目的是什么？

    因为Broker需要判断Client是否是正常的断开连接，当Broker收到此数据包的时候，会认为是Client正常断开的，它会丢弃当前连接指定的遗愿消息。如果检测到tcp连接断开，但没有收到此数据包，那么就会向遗愿主题发布遗愿消息

  • Broker主动关闭连接

    MQTT协议规定Broker在没有收到DISCONNECT数据包之前都应该保持连接，只有Broker在Keeplive时间间隔里没有收到Client的任何MQTT协议数据包才会主动关闭连接。

    Broker关闭连接不需要发送任何数据包，直接断开底层TCP连接.

相关代码分析

代码分析，参考书中的node.js下代码。

    
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//引入mqtt库
var mqtt= require('mqtt')

//建立连接
var client= mqtt.connect('mqtt://mqtt.eclipse.org', {
clientId:"mqtt_client_id",
clean:false
})

//捕获返回码&当前会话标志
client.on('connect', function (connack){
	console.log('return code: ${connack.returnCode}, sessionPresent: ${connack.sessionPresent}')
client.end
})

当第一次运行时，返回

    
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return code: 0, sessionPresent: false
//因为是第一次建立连接，所以false

再次运行，返回

    
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return code: 0, sessionPresent: true
//已经存有状态

通过查阅c++的mqtt.h头文件。发现类似函数如下：

client的class 具有三种connect成员函数

    
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//构造函数声明
Client(Network& network, unsigned int command_timeout_ms = 30000);	
        	
/** MQTT Connect - send an MQTT connect packet down the network and wait for a Connack
   *  The nework object must be connected to the network endpoint before calling this
   *  Default connect options are used
   *  @return success code -
   */
  int connect();
         
  /** MQTT Connect - send an MQTT connect packet down the network and wait for a Connack
   *  The nework object must be connected to the network endpoint before calling this
   *  @param options - connect options
   *  @return success code -
   */
  int connect(MQTTPacket_connectData& options);
         
  /** MQTT Connect - send an MQTT connect packet down the network and wait for a Connack
   *  The nework object must be connected to the network endpoint before calling this
   *  @param options - connect options
   *  @param connackData - connack data to be returned
   *  @return success code -
   */
  int connect(MQTTPacket_connectData& options, connackData& data);

可以看到第三种connect函数返回connack信息。再查询connack数据格式&MQTTPacket_connectData数据格式。

    
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struct connackData
{
    int rc;
    bool sessionPresent;
};

MQTTPacket_connectData未找到定义，先略过。

根据上面的信息可以仿写c++代码进行client的连接

    
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//引入库
#include<mqtt.h>

//建立连接
Client c;
MQTTPacket_connectData data;
connackData conack;
c.conect(data, conack);

//查看返回状态
cout<<conack.rc<<end;    //返回码
cout<<conack.sessionPresent<<endl;  //当前会话标识

一点实际技巧：

在进行连接时，若两个设备碰巧申请了同一个客户端标识符。当这两个客户端同时去连接时，会造成什么样的事故呢？

在MQTT协议中，若两个Client使用相同的Client Identifier进行连接时，如果第二个连接成功，Broker会关闭与第一个Client的连接。

由于我们使用的MQTT库实现了断线重连功能，所以下线设备会尝试重新连接，结果就是这两个Client交替将对方顶下线，在实际使用中，若检测到某一个Client不停的上线下线，就有可能是这种原因造成的。