如今,我们日常生活中每天都使用大量的物联网设备,比如智能门锁、地铁扫码闸机、早餐店收款播报音箱、汽车充电桩、上班刷脸打卡等,作为 IoT 物联网领域的开发者,你有想过背后完整的网络通信过程么?

借助全球开发者使用最广泛的开源抓包软件 Wireshark,抓取终端设备网卡通信包,一切就一目了然了。

你会发现终端设备先做了DNS解析,再建立 MQTT 长连接通道,订阅业务主题,上报采集的数据,通过发送心跳包实现连接保活,业务处理完后主动断开长连接。

1.DNS 解析

DNS 服务是计算机域名系统 (Domain Name Service) 的缩写,它是由域名解析器和域名服务器组成的。域名服务器是指保存有该网络中所有主机的域名和对应IP地址,并具有将域名转换为IP地址功能的服务器。其中域名必须对应一个IP地址,而IP地址不一定有域名。

观察DNS网络包,你会发现终端设备先去请求了 MQTT-Broker 服务器域名对应的 IP 地址。在 DNS 的 Answer 中终端设备获得了 addr 值,用于接下来的TCP/IP 网络连接。

2.TCP 三次握手

终端设备建立 MQTT 长连之前,需要先建立 TCP连接,即终端设备与MQTT-Broker 服务器的三次握手。

3.MQTT 建立连接 CONNECT

MQTT(消息队列遥测传输) 是基于 TCP/IP 协议栈而构建的支持在各方之间异步通信的消息协议。MQTT 在空间和时间上将消息发送者与接收者分离,因此可以在不可靠的网络环境中进行扩展,使用了发布和订阅(Pub/Sub)的模型。

在 TCP 连接基础上,终端设备主动发起 MQTT 的 CONNECT 指令,包含协议版本 v3.1.1,心跳时间 60s,连接标识 ClientId,用于认证的 Username 和 Password,如下图。

MQTT-Broker 服务器收到终端设备建立连接请求,身份验证通过后,应答CONNACK报文,其中 ReturnCode 为0,如下图。

4.MQTT 订阅主题 SUBSCRIBE

终端设备建立 MQTT 连接后,需主动订阅业务主题,用于接收云端下发的控制指令,如下图。

MQTT-Broker 服务端成功建立订阅关系后,会给终端设备响应SUBACK,如下图。

5.MQTT 上报数据 PUBLISH

终端设备采集到数据后,可以通过PUBLISH主动将数据发送到云端,同时设置消息主题Topic,数据报文Payload,以及QoS,如下图。

MQTT-Broker 服务端成功接收数据后,如果是QoS=1消息,会响应PUBACK,如下图。

6.MQTT 心跳 PINGREQ
 

当终端设备和 MQTT-Broker 服务器之间长时间没有业务包交互时,就需要通过心跳包 PINGREQ/PINGRESP 来实现网络长连接通道保活。

终端设备发送 PINGREQ 报文,如下图。

MQTT-Broker 服务器响应PINGRESP报文,如下图。

7.MQTT 心跳 DISCONNECT

当终端设备需要断开 MQTT 长连接时,可以MQTT-Broker 服务器主动发送DISCONNECT 报文,如下图。

   

8.TCP 连接断开

当终端设备的 MQTT 长连接断开后,TCP 也会随之销毁,如下图。

以上就是通过 Wireshark 网络抓包工具,从终端设备视角抓包分析 IoT 物联网设备完整网络通信过程,希望对你有所帮助!

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