MQTT协议14种报文分析

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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:\ProgramFiles(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:\ProgramFiles(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,cdd:\mosquittomosquitto-p1883-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[-cconfigfile]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EclipsePahoMQTT(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capturefilter和DisplayFiler,我们只需要在WireShark软件中的capturefilter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EclipsePahoMQTT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:00010000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(ProtocolName),协议级别(ProtocolLevel),连接标志(ConnectFlags)和保持连接(KeepAlive)协议名字节构成:00044d515454,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00000010,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WillQoS和WillRetain字段必须设置为0,并且有效载荷中不能包含WillTopic和WillMessage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(WillRetain)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003c,其中保持连接KeepAliveMSB为00,保持连接KeepAliveLSB为3c有效载荷:00107061686f38373232383535323139343,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paho8722855219412.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:00110010,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00033131300006313233,0003表示主题长度为3,313130即主题名110,0006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06,313233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:01000000,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0006,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:01010000,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0007,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:01100010,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0007,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:01110000,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0007,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:10000010,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0001,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000331313000,其中MSB为00,LSB为03,主题过滤为313130即110,00表示服务质量等级QoS为0。9SUBACK–订阅确认分析说明:固定报头:10010000,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0001,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00000000,返回码值为0x00-最大QoS010UNSUBSCRIBE–取消订阅分析说明:固定报头:10100010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0002,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0003313130,其中0003表示想要取消订阅的主题长度为3,想要取消的主题为313130即110。11UNSUBACK–取消订阅确认分析说明:固定报头:10110000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0002,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。12PINGREQ–心跳请求分析说明:固定报头:11000000,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。13PINGRESP–心跳响应分析说明:固定报头:11010000,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。14DISCONNECT–断开连接分析说明:固定报头:11100000,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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