C语言代码封装MQTT协议报文，了解MQTT协议通信过程

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MQTT是一种轻量级的物联网通信协议，采用发布/订阅模式。文章详细介绍了MQTT的各种报文类型，如CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE等，并提供了C语言封装MQTT协议的示例代码，展示了如何建立TCP连接并发送MQTT报文。

【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; 
}

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