使用 Wireshark 深入剖析 MQTT

原文：Dissecting MQTT using Wireshark
作者：Abhinaya Balaji
翻译：安翔
审校：苏宓

MQTT 在 IT 领域扮演着越来越重要的角色，在之前的一篇文章中，我们初步介绍了 MQTT 协议以及它的工作方式。为了更好地理解本文中的内容，请阅读上一篇文章中的机器到机器（M2M）的基础知识。我们将使用 Catchpoint MQTT 监视器从 MQTT 代理订阅并发布一个主题。下图显示了使用 Catchpoint 进行的测试设置。

Catchpoint 的 MQTT 监视器的指标包括发布时间、发布大小、订阅时间、订阅大小、DNS 和连接时间。

为了更好地了解 MQTT 监视器收集到的数据，就必须知道在 MQTT 的内部到底发生了什么。幸运的是，可以使用 Wireshark 工具帮助我们完成这个深层次的探索。像 Wireshark 这样的嗅探工具可以帮助我们剖析通信过程中的每个步骤，并检查数据包。在本文的分析中，我们将使用Catchpoint MQTT 监视器设置一个样本测试，并查看测试过程中所涉及的一些细节。

Wireshark 分析

MQTT 协议基于 TCP/IP 层之上，客户端和代理都需要具有 TCP/IP 协议栈的支持。

下图显示了 Wireshark 工具获取到的 Catchpoint MQTT 监视器中同一个 MQTT 代理订阅、发布的消息流。此处我们使用 QoS t0 的传送级别。接下来我们逐个分析一下协议的数据包。

注意：在上图中，192.168.0.11 是 MQTT 代理的 IP； 192.168.0.12 是客户端的 IP，它b扮演了发布者和订阅者的双重角色。

1. 连接消息

MQTT 连接必须是一个客户端和代理之间，而不能是一个客户端与另一个客户端。客户端通过发送 CONNECT 命令给代理启动建立连接。一旦建立连接，该连接将一直打开，直到从客户端接收到断开连接的命令。

目标端口是1883，它是 MQTT 基于TCP 的默认端口。
端口 8883 用于基于 TLS 的 MQTT。

连接命令详解：

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• Connect Flags：连接标志位包含指定 MQTT 连接行为的参数。它能够有效指示连接状态。
• Clean session：连接标志的第1位，该标志用来将客户端是否想要建立持久连接的信息告知给代理。标志设置为 true 时会清除会话，在断开连接时删除订阅信息；当期设置为 false 时，可以实现持久连接并保存订阅信息，在重新连接时使用高级别 QoS 传递消息。
• Will flag：连接标志的第2位。MQTT 的遗愿标志位的一部分。设置该标志就意味着如果接受了连接请求，那么服务器将存储一个 Will 消息。Will 消息是一个带有Will 主题和 Will 消息内容的 MQTT 消息。它用于连接断开时通知其他客户端。当客户端断开连接时，代理会传送此消息。当 Will 标志设置为1时，服务器将使用连接标志中的 Will QoS 和 Will Retain 字段。
• Will QoS：连接标志的3、4位。表示发布 Will 消息时要使用的 QoS 级别。
• Will retain：连接标志的第5位。如果 Will Retain 设置为0，则服务器必须将 Will消息作为未保留消息发布；当其设置为1时，则将 Will 消息作为保留消息进行发布。
• User Name and Password：分别占据连接标志的第6、第7位。设置此字段将使用证书。MQTT 允许发送用户名和密码来验证客户端和授权。如果密码未采用加密手段，则以明文形式发送。
• Keep alive： Keep alive 计时器用来确认 MQTT 客户端是否在线。客户端通过向代理周期性发送 PING 请求，代理返回 PING 命令响应。
• Client ID：它是每一个连接到 MQTT 代理的 MQTT 客户端的标识符。每个代理也是唯一的。
• Payload： Payload包含了客户端ID、Will 主题、Will 消息，用户名和密码，其状态由标志决定。

2. 连接确认消息

在接收到 CONNECT 消息时，代理将返回 CONNACK 消息进行响应。

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• Session Present： Session present 标志位于连接确认字节的第0位，该标志指示代理与之前交互过的客户端是否已存在持久会话。
• Return Code：返回码的值和响应信息如下表所示。

• Payload： CONNACK 数据包没有 Payload。

3. 订阅消息

客户端向 MQTT 代理发送 SUBSCRIBE 消息从而获取相关消息。

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• Message Identifier：用来标识客户端和代理之间消息流中的消息的标识符。这对于大于零的 QoS 尤为重要。
• Topic and QoS Level：每一个订阅都由主题过滤器和 QoS 级别两部分组成。客户端通过主题来获取自己感兴趣的消息。
• Payload： Payload 包含了订阅列表，它在 SUBSCRIBE 数据包中是强制使用的。

4. 订阅确认消息

MQTT 代理通过给客户端发送 SUBACK 消息来确认订阅。

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• Message Identifier：与 SUBSCRIBE 消息中的 Identifier 相同，它与 QoS 大于零的消息密切相关。
• Return Code： MQTT 代理为 SUBSCRIBE 消息中接收的每一对 Topic/ QoS 发送一个返回码。返回码与成功的 QoS 等级一致。下表中展示了返回码的值和响应信息。

• Payload： Payload 包含返回码列表。

5. 发布消息

MQTT 客户端和代理建立连接之后，就可以发布消息了。

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• DUP flag：当 DUP 标志为0时，意味着是首次尝试发送此 PUBLISH 数据包；如果标志为1，则表示重新尝试发送。
• ***QoS：***QoS 级别决定了消息传输可靠性级别。
• Retain Flag：如果 Retain Flag 设置为1，则服务器必须存储消息及其QoS，以便可以满足与该主题匹配的订阅。当 PUBLISH 数据包发送到订阅客户端时，如果由于新的订阅而发送数据包，则服务器必须将 Retain Flag 设置为1。当匹配到已经存在的订阅而发送数据包时，不管 Retain Flag 是否被设置，此时服务器都必须将 Retain Flag 设置为0。
• Topic Name：由 UTF-8 字符串组成，当需要分层结构时，可以使用斜杠。发布的消息必须包含一个主题，以便代理进行基本的过滤。这样，代理只向已订阅该主题的客户端发送消息。
• Message：消息是包含要发送的实际数据的主题的 Payload。由于 MQTT 的数据格式是多变的，因此 Payload 可以根据实际用例进行结构化。
• Payload： Payload 包含正在发布的消息。

6. 断开请求消息

断开连接消息是客户端向代理发送的最后一个控制包。意味着客户端断开连接。

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• Payload：断开数据包没有 Payload。

7. MQTT 保持在线

保持在线功能的前提是确保连接已打开，并且客户端和代理之间互相建立了连接。当建立连接时，客户端将 keep-alive 的时间间隔（以秒为单位）发送给代理。

MQTT规范里说到：

“客户端有责任确保发送的控制报文的时间间隔不超过 Keep Alive 值。在没有发送任何其他控制数据包的情况下，客户端必须发送一个 PINGREQ 数据包。”

保持在线的机制由 PINGREQ 和 PINGRESP 消息实现和维护。

典型的保持在线的消息流如下图所示：

PINGREQ

在没有发送其他 MQTT 控制数据包时，客户端将周期性地发送 PINGREQ 给代理，以示它自己仍然在线。如果代理没有收到 PINGREQ 或任何其他数据包，它将关闭连接并发送 LWT 消息，当然前提是客户端已经指定了 LWT。

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• ***Payload：***PINGREQ 数据包没有 Payload。

PINGRESP

代理接收到客户端的 PINGREQ 数据包时，将发送 PINGRESP 作为答复，表明自己在线并且是可用的。

• Header Flags：保存有关 MQTT 控制包类型的信息。
• Payload： PINGREQ 数据包没有 Payload。

结论

MQTT 推动了物联网领域的创新，并已成为 IT 领域不可或缺的一部分。上一篇 MQTT 的文章初步介绍了该协议，而在本文中，我们借助 Wireshark 讨论了 MQTT 客户端和MQTT 代理之间通信的每一个步骤的细节。通过一系列指标和图表有助于我们深入了解 MQTT。