使用 Wireshark 深入剖析 MQTT

Snail · 发表于 2017-8-18 15:58:54

本帖最后由 Genius 于 2017-8-18 16:32 编辑

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。