MQTT协议详解二

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下面我们开始一步步执行连接，订阅，发布和接收。

首先就是CONNECT，发送连接申请。

在连接中我们要做的是将客户端ID、消息标识、用户名、密码等能过Socket传送给服务器。

private $socket;
private $msgid=1;//消息id
public  $keepalive=10;//默认心跳时间
public $timeincepting;//主机时间，有来断开连接
public $topics=array();//订阅主题
public $debug=false;
public $host; //主机名
public $port;//端口名
public $clientid; //客户机id
public $will;//是否保存客户机will标识的数组，包括Qos，Retain，Dup。
public $username; //保存用户名
public $password; //保存密码
public $operations=array(
"MQTT_CONNECT"=>1,//请求连接
"MQTT_CONNACK"=>2,//请求应答
"MQTT_PUBLISH"=>3,//发布消息
"MQTT_PUBACK"=>4,//发布应答
"MQTT_PUBREC"=>5,//发布已接收，保证传递1
"MQTT_PUBREL"=>6,//发布释放，保证传递2
"MQTT_PUBCOMP"=>7,//发布完成，保证传递3
"MQTT_SUBSCRIBE"=>8,//订阅请求
"MQTT_SUBACK"=>9,//订阅应答
"MQTT_UNSUBSCRIBE"=>10,//取消订阅
"MQTT_UNSUBACK"=>11,//取消订阅应答
"MQTT_PINGREQ"=>12,//ping请求
"MQTT_PINGRESP"=>13,//ping响应
"MQTT_DISCONNECT"=>14//断开连接
);

  以上是变量的申明，但不一定全部都用上，比如用户名和密码就可选。

function connect($clean=1,$will=NULL,$userarray=NULL){
$this->username=$userarray['username'];
$this->password=$userarray['password'];
$this->socket=fsockopen($this->host,$this->port,$errno,$errstr,60);
if(!$this->socket){
$this->debug("socket_error $errno,$errstr <br/>");
return false;
}
stream_set_timeout($this->socket, 10);//用于读取流时的时间控制
//    stream_set_blocking($this->socket, 0);//0表示非阻塞，1表示阻塞
$index=0;
$payload=$this->create_connect_payload($this->clientid,$will,$userarray);
$index+=$payload['index'];
$vhead=$this->create_variable_connect_header($userarray,$will,$clean);
$index+=$vhead['index'];
$conhead=$this->create_fixed_header('MQTT_CONNECT',0,0,0); //发起连接
$index=$this->numencoding($index); //因为对于超过每个字节是8位，超过就要多加一位。
$conhead.=$index;
fwrite($this->socket,$conhead,strlen($conhead));//传递固定头部长度2字节
fwrite($this->socket,$vhead['content'].$payload['content']);//传递变长头部和消息体

$resCode =$this->read_fixed_header($this->socket); //读取返回的头部
$resRemaing=$this->read_remaing_length($this->socket);
if($resRemaing>0){
$body=unpack('Ccomp/Cretcode', fread($this->socket,$resRemaing));
if($resCode['msgtype'] == $this->operations['MQTT_CONNACK'] && $body['retcode'] ==0){ //0表示连接成功，大于1-5表示错误。
$this->debug("Connected to {$this->host}:{$this->port}<br/>");
}else{
$this->debug(sprintf("Connection failed! (Error: 0x%02x)",  $body['retcode']));//读取错误，其错误代码见协议
}
$this->timesinceping = time();
return true;
}
return false;

}

这个是发起连接的函数，安全是按照协议来组装代码，但是这是用PHP实现的时候要注意一下，因为PHP是弱类型的，不能像C里直接计算，否则会将非INT型的当做0,INT型的直接计算，所以要注意使用chr()和ord(),pack()和unpacka()这两对函数，在字符拼接时，一定要用chr()或pack()把ASCII转成Char型的，而在计算移位时，又要把其转换为ASCII。

二、对于整个推送的架构应该如下图所示：



上面是当Qos为1的推送，即对于推送的内容会保存至服务器中，然后返回PUBACK告知操作成功，然后便会向在线终端推送。当设置Retain值为1时，但终端上线，则会立即推送。

我们现在就按Qos来理解推送的三种机制（Qos仅在PUBLISH消息中有效）



当Qos为0时，是最基本的推送形式，它最大的特点就是无保障性的，因为当你将数据包发送给服务器时，服务器不会有任何的回应，故不知成功与否

但如果成功，刚会发送给相应的订阅者，而且不会保存任何的发送信息，发完就完全删除了，所以成功率为小于等于1。

当Qos为1时，则是有保障性的传输，当发送推送数据给服务器时，其会返回一个PUBACK的确认包给发送者，用于确定成功与否，当把Retain值设为1时，会保存这个状态，对于所有后来上线的都会直接推送最后一次推的内容。所以说至少会推送成功一次。

当Qos为2时，因为是我们最常用的了，就要通过协议的机制既要保证推送的成功性，也要保证推送的准确性。

下面给出其示例图：



可以说要保证推送的成功传送，其认证的过程是比较比杂的，首先在发送的时候将Qos标识为2,然后发送PUBLISH信息，服务器收到后会将信息保存然后发送PUBREC告知

已接收，但此时服务器并不会推送，而是等待下一个客户端的PUBREL

下面贴出代码：

public function publish($topic,$message,$qos=2,$retain=0){
$pubhead=$this->create_fixed_header('MQTT_PUBLISH',1,$qos,$retain);//生成固定头部标识为PUBLISH，其消息结构也比较简单。
$index=0;
$body="";
$body.=$this->strencoding($topic,$index);
if($qos>0){           //如果Qos大于0,即要保证传输则要加上MessageID，自己定义
$body.=$this->create_message_id(++$this->msgid,$index);
}
$body.=$message;
$index+=strlen($message);
$pubhead.=$this->numencoding($index);     //同样的要对消息体的长度按照消息规定进行设置
fwrite($this->socket,$pubhead,strlen($pubhead));
fwrite($this->socket,$body,$index);

$resCode =$this->read_fixed_header($this->socket);
$resRemaing=$this->read_remaing_length($this->socket);  //接收返回信息
if($resRemaing>0){
if($resCode['msgtype']==$this->operations['MQTT_PUBACK']){  //如果Qos为1的话，那么返回的是PUBACK
$logedId=$this->read_message_id($this->socket);
if($logedId==$this->msgid){
$this->debug(" Qos 1 Message ".$logedId."send successfully<br/>");
}
}else if($resCode['msgtype']==$this->operations['MQTT_PUBREC']){ //如果Qos为2的话，那么返回信息就是PUBREC，此时要发送同意推送信息PUBREL
$this->debug("received message PUBREC");
$logedId=$this->read_message_id($this->socket);
if($logedId==$this->msgid){
$this->debug("Qos 2 Message ".$this->msgid."send successfully<br/>");
$relHead=$this->create_fixed_header('MQTT_PUBREL',0,0,0);
$index=0;
$payload=$this->create_message_id($logedId,$index);
$relHead.=$this->numencoding($index);
fwrite($this->socket, $relHead,strlen($relHead));
fwrite($this->socket,$payload,strlen($payload));
$resCode=$this->read_fixed_header($this->socket);
$resRemaing=$this->read_remaing_length($this->socket);
if($resRemaing>0){
if($resCode['msgtype']==$this->operations['MQTT_PUBCOMP']){ //最后收到的是PUBCOMP信息，表示推送结束。
$clogedId=$this->read_message_id($this->socket);
if($clogedId==$logedId){
$this->debug("the whole flow send successfully ,then the server can delete the message！<br/>");
}else{
}
}
}
}
}

}
}

三、订阅

接下去说说订阅的，订阅者总体来说比发送者处理上要简单，仅仅是四个很容易理解的消息，SUBSCRIBE，SUBACK，UNSUBSCRIBE和UNSUBACK。

分别是对订阅和取消的判断。

下面直接贴代码：

public function subscribe($topics,$qos=0,$dup=0){
$subHead=$this->create_fixed_header("MQTT_SUBSCRIBE",$dup,$qos,0);//在订阅中Retain标识是元效的
$index=0;
$body=$this->create_message_id($this->msgid,$index);
foreach($topics as $key=>$topic){
$body.=$this->strencoding($topic['topic'],$index);   //这里补充一下，因为此支持一次订阅多个主题，所以topics是一个二维数组。第二维表示主题和qos。
$body.=chr($topic['qos']);
$index++;
}
$subHead.=$this->numencoding($index);  //老样子，第二个字节是下面字符的总长。
fwrite($this->socket,$subHead,strlen($subHead));
fwrite($this->socket,$body);
$res=$this->read_fixed_header($this->socket);  //获取返回值
$remaing=$this->read_remaing_length($this->socket);
if($remaing>0){
if($res['msgtype']==$this->operations['MQTT_SUBACK']){ //解析SUBACK包的消息
$this->debug("get suback<br/>");
$logedId=$this->read_message_id($this->socket);
if($logedId==$this->msgid){
$this->debug("subscribe successful<br/>");
$qosGrantCode=fread($this->socket,count($topics[0]));  //在SUBACK的消息中我们可以确认我们订阅各个主题的Qos。
$this->debug(var_dump(unpack("C*",$qosGrantCode)));
}
}
}
}

取消订阅和订阅的结构和方法其实是一样的

下面贴出取消订阅的代码：

public function unsubscribe($untopics,$dup=0,$qos=1){
$unsHead=$this->create_fixed_header("MQTT_UNSUBSCRIBE",$dup,$qos,0);
$index=0;
$body=$this->create_message_id($this->msgid,$index);  //变长头为MessageID
foreach($untopics as $untopic){
$body.=$this->strencoding($untopic,$index); //这里的untopics为一维数组，保存退订的主题。
}
$unsHead.=$this->numencoding($index);
fwrite($this->socket,$unsHead,strlen($unsHead));
fwrite($this->socket,$body);
$res=$this->read_fixed_header($this->socket);  //读取头部
$remaing=$this->read_remaing_length($this->socket);
if($remaing>0){
if($res['msgtype']==$this->operations['MQTT_UNSUBACK']){ //处理UNSUBACK信息。
$unlogedId=$this->read_message_id($this->socket);
if($unlogedId==$this->msgid){             //匹配发送前后ID是否相同
$this->debug("unsubscribe successful");
}
}
}

}

最后就是PINGREQ消息，即在每个Keep Alive Time中发送Ping请求，来判断主机是否仍然在线。

做为回应则是PINGRESP消息，表示目前仍然在线。

下面贴出Ping请求和回应代码：

public function pingreq(){
$reqHead=$this->create_fixed_header("MQTT_PINGREQ",0,0,0);//发送PINT REQUEST，其它标识位无意义，全为0
$reqHead.=chr(0);    //只有固定头部，固其只有2个字节的消息长
fwrite($this->socket,$reqHead,strlen($reqHead));
$res=$this->read_fixed_header($this->socket);
if($res!=NULL&&$res['msgtype']==$this->operations['MQTT_PINGRESP']){ //如果返回了PING RESPONSE则服务器仍在线
$this->debug("Yes I am alive!");
}else{
$this->debug("Server is outline!");
}
}

以上代码是各部分的实现，而要实际使用则要配合异步和事件机制，虽然PHP一直以来在线程方面比较弱，但是以现在PHP所支持的来看，已完全有能力实现异步和事件机制。

这也是我下一篇博文要介绍的，同时还会对MQTT协议有针对性的修改和补充，使之更好的结合数据库以及满足较高并发量的实现。

最后，能力有限，人艰不拆，欢迎指教。