编程技术是改变世界的力量。
本站
当前位置:网站首页 > 后端语言 > 正文

C语言代码封装MQTT协议报文,了解MQTT协议通信过程

gowuye 2024-04-25 04:43 7 浏览 0 评论

【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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

// 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 supported\n");
        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; 
}
    



相关推荐

R语言数据挖掘实践——支持向量机的常用函数
R语言数据挖掘实践——支持向量机的常用函数

e1071包是R语言中用于支持向量机建模与分析的软件包,其主要用于支持向量机的模型构建,提供核心函数svm()来建立支持向量机的基础模型,并且可辅助使用pred...

2024-05-18 12:15 gowuye

R数据分析:如何做聚类分析,实操解析
R数据分析:如何做聚类分析,实操解析

Clusteringisabroadsetoftechniquesforfindingsubgroupsofobservationswi...

2024-05-18 12:14 gowuye

用R语言做数据分析——马赛克图
用R语言做数据分析——马赛克图

到目前为止,我们已经学习了许多可视化定量或连续型变量间关系的方法。但如果变量是类别型的呢?若只观察单个类别型变量,可以使用柱状图或者饼图;若存在两个类别型变量,...

2024-05-18 12:14 gowuye

用R语言做数据分析——方差分析基本概论
用R语言做数据分析——方差分析基本概论

在实际工作中,影响一件事的因素是很多的,我们总是希望通过各种试验来观察各种因素对试验结果的影响。例如,不同的生产厂家、不同的原材料、不同的操作规程,以及不同的技...

2024-05-18 12:14 gowuye

R语言数据分析实战:数据清洗与可视化
R语言数据分析实战:数据清洗与可视化

《R语言数据分析实战:数据清洗与可视化》是一本深入浅出的实践指南,专为对数据分析感兴趣的读者精心编撰。本书旨在帮助读者掌握R语言这一强大的统计分析工具,通过实例...

2024-05-18 12:13 gowuye

用R语言做数据分析——双因素方差分析
用R语言做数据分析——双因素方差分析

在双因素方差分析中,受试者被分配到两因子的交叉类别组中。以基础安装中的Tooth-Growth数据集为例,随机分配60只豚鼠,分别采用两种喂食方法(橙汁或维生素...

2024-05-18 12:13 gowuye

用R语言做数据分析——独立两样本和K样本检验
用R语言做数据分析——独立两样本和K样本检验

coin包简介对于独立性问题,coin包提供了一个进行置换检验的一般性框架,通过这个包,我们可以回答如下问题:响应值与组的分配独立吗?两个数值变量独立吗?两个类...

2024-05-18 12:13 gowuye

用R语言做数据分析——用回归做方差分析
用R语言做数据分析——用回归做方差分析

之前提到方差分析和回归都是广义线性模型的特例,之前文章的所有设计都可以用lm()函数来分析。为了更好地理解输出结果,需要弄明白在拟合模型时,R语言是如何处理类别...

2024-05-18 12:13 gowuye

数据分析R语言——数据结构
数据分析R语言——数据结构

数据分析R语言——数据结构数组数组(array)与矩阵类似,但是维度可以大于2.数组通过array()函数创建。形式如;myarray<-array(v...

2024-05-18 12:13 gowuye

R语言数据挖掘实践——关联分析的常用函数
R语言数据挖掘实践——关联分析的常用函数

arules和arulesViz是R语言中两个专用于关联分析的软件包。其中arules用于关联规则的数字化生成,提供Apriori和Eclat这两种快速挖掘频繁...

2024-05-18 12:12 gowuye

R语言数据挖掘实践——判别分析的常用函数
R语言数据挖掘实践——判别分析的常用函数

判别算法在R语言中实现主要涉及4个软件包中的相关函数,它们依次为MASS、klaR、class和kknn。其中MASS包含有大量实用而先进的统计计数函数及适用数...

2024-05-18 12:12 gowuye

用R语言读取Excel、PDF和JSON文件,终于有人讲明白了
用R语言读取Excel、PDF和JSON文件,终于有人讲明白了

导读:本文将讨论Excel、PDF等文件的读取,以及相应函数的参数设置。作者:刘健邬书豪如需转载请联系华章科技下图总结了主要程序包,希望读者在日常练习和工作中...

2024-05-18 12:12 gowuye

R语言数据挖掘实践——聚类分析的常用函数
R语言数据挖掘实践——聚类分析的常用函数

使用R语言可以轻松实现聚类分析,stats、cluster、fpc和mclust是常用的四个聚类分析软件包。stats主要包含一些基本的统计函数,如用于统计计算...

2024-05-18 12:12 gowuye

用R语言做数据分析——时间序列分类
用R语言做数据分析——时间序列分类

时间序列分类是根据已标注的时间序列建立一个分类模型,然后使用分类模型预测未标记时间序列的类别。从时间序列中抽取出新特征肯呢个有助于提高分类模型的性能。特征提取技...

2024-05-18 12:11 gowuye

一文看懂用R语言读取Excel、PDF和JSON文件(附代码)
一文看懂用R语言读取Excel、PDF和JSON文件(附代码)

导读:本文将讨论Excel、PDF等文件的读取,以及相应函数的参数设置。作者:刘健邬书豪如需转载请联系华章科技下图总结了主要程序包,希望读者在日常练习和工作中...

2024-05-18 12:11 gowuye

取消回复欢迎 发表评论: