基于Packet Tracer的MQTT协议仿真实现.pdf

2023年/第11期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission450 引 言物联网系统涉及产品种类繁多，各产品之间千差万别，设备接入难度及成本是制约物联网系统应用的痛点之一1。MQTT 协议独特的消息传递机制以及低开销、低带宽占用的特性，使其非常适合于物联网领域云边通信的应用场景2，是目前物联网应用中最常用的通信协议之一，国内外很多物联网平台的解决方案中都采用 MQTT 作为一种主流的数据通信协议3。因此，对于物联网相关专业的学生来说，掌握和理解 MQTT 协议非常重要，只有真正掌握 MQTT 协议的工作原理、数据包结构、消息服务质量等，才能熟练灵活地运用 MQTT 协议进行各种应用系统的开发。本文在对 MQTT 协议的理论分析基础上，基于 Packet Tracer 实现 MQTT 协议工作过程的仿真模拟以及数据包的抓取和分析，从而使学生能够对 MQTT 协议及其工作原理有比较深入全面的理解和掌握。1 MQTT 协议分析1.1 MQTT 协议原理MQTT 协议是一种基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通信协议4。MQTT 协议中有三种身份，即发布者（Publisher）、代理服务器（Broker）、订阅者（Subscriber），消息的发布者和订阅者都是客户端，它们之间通过代理服务器交换消息5。MQTT 传输的消息分为主题（Topic）和负载（Payload）两部分，主题类似于消息的类型，负载类似于消息的具体内容。客户端与客户端之间的消息传输按主题进行6。1.2 MQTT 协议数据包结构MQTT 协议中，一个 MQTT 数据包由固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、负载（Payload）三部分构成7，如图 1 所示。固定头是必须的，可变头和负载存在于部分 MQTT 数据包中。图 1 MQTT 数据包结构固定头表示数据包类型及数据包的分组类标识，其中第一字节的 0 3 位是分组类标识，RETAIN 字段是发布保留标识，QoS 字段用于设置该条消息所需的服务质量等级，DUP 字段用于设置该条消息是否为重发消息。在不使用标识位的消息类型中，这些分组类标识被作为保留位。4 7 位的 Message Type 字段的值则代表消息的类型，MQTT 拥有CONNECT、SUBSCRIBE、PUBLISH等14种不同的消息类型。Remaining Length 字段的值则用来表示当前消息的剩余长度，包括可变头和负载所占的字节数。1.3 MQTT 协议消息服务质量MQTT 协议通过控制 QoS 等级来决定服务质量，QoS等级分为 QoS0、QoS1、QoS2 三个等级，不同的等级代表了不同的可靠性要求8，消息服务质量等级为 QoS0 时代表着消息最多到达一次，为 QoS1 时代表着消息至少到达一次，为 QoS2 时代表着消息一定会到达且只到达一次。2 MQTT 协议仿真实现2.1 网络仿真结构及地址规划基于 Packet Tracer 仿真环境构建如图 2 所示的网络仿真基于 Packet Tracer 的 MQTT 协议仿真实现刘国梅（郑州航空工业管理学院 智能工程学院，河南 郑州 450046）摘 要：MQTT 协议是物联网设备云边传输最常用的通信协议之一。对于物联网相关专业、学科的学生来说，理解 MQTT 协议的工作原理、数据包结构、消息服务质量等非常重要。通过在 Packet Tracer 仿真软件上进行MQTT 协议网络仿真结构设计、网络连通性配置、程序设计以及相应数据包抓取，仿真 MQTT 协议的工作过程，分析协议数据包的结构。经过仿真分析与理论分析的对比，进一步加深对 MQTT 协议的理解。关键词：物联网；MQTT 协议；Packet Tracer 仿真软件；通信协议；云边传输；数据包中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0045-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.012收稿日期：2022-12-08 修回日期：2023-01-04物联网技术 2023年/第11期 可靠传输 Reliable Transmission46结构。在该网络结构中，MQTT 客户端 MQTT_ Client1 通过交换机 Switch1、路由器 Router1 与代理服务器 MQTT_Broker 相连，客户端 MQTT_Client2 通过无线接入点 Access Point1、交换机 Switch1、路由器 Router1 与服务器 MQTT_Broker 相连，客户端 MQTT_Client3 通过移动通信网络、路由器 Router1 与服务器 MQTT_Broker 相连，整个系统实现了异构网络的互联。在此基础上还需要进行网络地址规划及配置，在路由器 Router1 上执行动态路由协议，进行动态路由配置9。图 2 仿真结构2.2 MQTT 协议程序实现2.2.1 服务器 MQTT_Broker 的程序实现服务器 MQTT_Broker 的程序实现包括 GUI 页面设计及Python 程序编写两部分，其中最主要的是 mqttbroker.py 文件中实现的功能，如图 3（a）所示。mqttbroker.py 文件中，首先是初始化函数 init（）的编写，init（）中启动了一个 TCP Server，侦听 1883 端口，调用回调函数 on_new_client（）加入新客户端，调用函数 add_custom_mqtt_pdus（）初始化 MQTT 的协议数据单元（PDU）等。然后是 add_custom_mqtt_pdus（）函数的具体实现，在该函数中定义了 MQTT的 PDU，共 定 义 了 包 括 MQTT CONNECT、CONNACK、PUBLISH等14种数据单元的格式。add_ custom_mqtt_pdus（）函数之后定义了使能服务函数 enable_service（）、禁用服务函数 disable_service（）、添加用户函数 add_user（username，password）、移除用户函数 remove_ user（username）等，接着是创建新客户端回调函数 on_new_client（client）的具体实现以及更新注册用户、更新客户端、更新订阅信息等函数的实现，最后是连接状态改变回调函数 on_connection_change（type）以及处理 MQTT 数据包的回调函数 process_ mqtt_packet（in_packet，pdu_info）的具体实现。2.2.2 客户端 MQTT_Client 的程序实现客户端 MQTT_Client 的程序实现也包括 GUI 页面设计及 Python 程序编写两部分，其中最主要的是 mqttclient.py程序文件实现的功能，如图 3（b）所示。mqttclient.py 文件中，首先是初始化函数 init（）的编写，init（）中创建了一个 TCP 客户端，当客户端连接状态改变时会调用回调函数on_connection_change，当收到 PDU 数据包时会调用回调函数 process_mqtt_ packet，之后通过 add_custom_mqtt_ pdus（）函数完成对数据包 PDU 的初始化。init（）函数编写完之后，是 add_ custom_mqtt_pdus（）函数的具体实现，然后又 定 义 了 connect（）、subscribe（topic）、publish（topic，payload，qos）、pingreq（）等函数，这些函数对应着相关的事件。最后定义了处理 MQTT 协议中 14 种数据包的函数 process_mqtt_packet（in_packet，pdu_info），该函数中对数据包进行了封装，并给出了处理不同操作时输出的一些 信息。图 3 程序实现3 仿真结果与分析下面分析仿真 MOTT 协议的工作过程及消息服务质量等级。服务器 MQTT_Broker 运行之后，三个 MQTT 客户端分别连接到该服务器，客户端 MQTT_Client3 作为订阅者，可以订阅相关主题。客户端 MQTT_Client1、MQTT_Client2 作为发布者可以发布消息，如图 4（a）所示。仿真结果表明，客户端 MQTT_Client3 只能接收其订阅了相关主题的消息，如图 4（b）所示，无法接收其没有订阅主题的消息，验证了MQTT 协议基于发布/订阅的工作模式。另外，从 MQTT_Broker 的操作日志 EventLog 中可以清楚地看到 MQTT 协议中各种数据包的传输过程及数据包的具体内容，更加深入理解不同服务质量等级的通信时序及各种数据包的传输 过程。图 4 仿真结果仿真过程中还可以通过抓取数据包更加直观地理解2023年/第11期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission47MQTT 各种数据包结构。首先将 Packet Tracer 仿真模式从“Realtime mode”切换成“simulation mode”10。在数据传输过程中，单击“play controls”下的“capture/Forward”按钮，可以抓取数据包。图 5 显示了客户端 MQTT_Client1 到交 换 机 Switch1 的“PDU Information at Device：Switch1”，在“Inbound PDU Details”中可以看到，MQTT_Client1 到MQTT_Broker 之间传输的协议数据单元（PDU）为 MQTT PUBLISH 数据包，数据包第一个字节的 0 3 位为数据包的分组类标识，第 4 7 位为数据包类型，PUBLISH 数据包中 CONTROL PACKET TYPYE 为 3，接着是消息的剩余长度，仿真结果与理论分析一致。图 5 PUBLISH 数据包抓取4 结 语MQTT 协议是物联网中最常用的通信协议之一，掌握MQTT 协议的工作原理、数据包结构、通信服务质量对于物联网系统的开发应用至关重要。为了能让学生更好地理解、掌握相关内容，通过 Packet Tracer 仿真软件构建网络结构，配置网络连通性，进行程序编写，最终实现 MQTT 协议的仿真，这对学生们理解 MQTT 通信协议并进行有关 MQTT 协议的开发能够起到事半功倍的效果。参考文献1 卢东祁，张乾，徐一洲，等.面向电力物联网的终端设备适配接入研究 J.上海交通大学学报，2021，55（S2）：72-76.2 施昕昕，顾宇扬.基于 MQTT 协议的工业物联网数据采集和控制系统 J.南京工程学院学报（自然科学版），2022，20（2）：31-37.3 万洪莉，李雨晨.基于 MQTT 协议的物联网服务器设计与架构分析 J.软件工程，2020，23（6）：39-41.4 黄迪，徐湛，田志刚，等.基于 MQTT 协议的 Mosquitto 数据订阅机制优化与性能分析 J.物联网技术，2021，11（11）：29-32.5 赵靖，王如武，周皓.基于 NS-3 的 MQTT 协议仿真研究 J.计算机工程与应用，2021，57（23）：137-145.6 叶康林，钟瑾瑞，焦冠文，等.基于 MQTT 协议的生产实时数据传输技术应用研究 J.信息系统工程，2021，34（11）：65-68.7 陈文艺，高婧，杨辉.基于 MQTT 协议的物联网通信系统设计与实现 J.西安邮电大学学报，2020，25（3）：26-32.8 孙海滨，张敬超.基于 MQTT 协议的跨平台工业级物联网消息传输系统实现与设计 J.软件，2020，41（8）：168-171.9 李红岩，樊超.基于 Packet Tracer 的现代交换原理虚拟仿真实验设计 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