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深度解析应用层协议-----HTTP与MQTT（涵盖Paho库）

news 来源：原创 2025/9/18 15:57:36

HTTP协议概述

1.1 HTTP的基本概念

HTTP是一种应用层协议，使用TCP作为传输层协议，默认端口是80，基于请求和响应的方式，即客户端发起请求，服务器响应请求并返回数据（HTML，JSON）。在HTTP/1.1中，使用了长连接技术，允许一个连接复用多个请求和响应，减少了TCP三次握手的消耗。

1.2 HTTP的基本结构

HTTP请求部分：

请求行：包含请求方法（GET, POST等）、请求URL、协议版本。
- GET：请求资源，通常用于获取数据。
- POST：提交数据，用于发送数据到服务器进行处理。
- PUT：更新数据，用于上传或修改资源。
- DELETE：删除资源。
- URL：资源标识符，表示请求的资源地址，包含协议、主机名、路径、查询参数等
请求头：包括各种元数据，如Connection、Host、Content-Type等。
- Content-Type：指示请求体的数据类型，通常在POST或PUT请求中使用（例如Content-Type: application/json）。
- Host：指定请求的主机名和端口号，必需字段
- Connection：指定控制连接的方式（例如keep-alive表示保持连接）
空行：标识头部与载荷的分界线，如果没有空行会发送TCP粘包，strstr解析/r/n获得载荷
请求体：通常在POST请求中出现，包含请求的具体数据。
- 对于GET请求，通常不携带请求体。GET请求的数据是通过URL中的查询参数传递的，例如：GET /path/to/resource?name=John&age=30 HTTP/1.1

完整的HTTP请求示例

POST /submit HTTP/1.1Host: www.example.com
Content-Type: application/json
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64)
Accept: application/json{"username": "test_user","password": "test_pass"
}

HTTP响应部分：

响应行：包括协议版本、状态码（200，404，500）、状态描述(OK，not found，sever error)。
响应头：包含响应的元数据，如Content-Type、Content-Length等。
- Content-Type：指定响应体的内容类型，例如text/html、application/json等。
- Content-Length：指定响应体的长度（字节数）。
空行：/r/n，头部和内容的分隔
响应体：包含实际的返回数据，对于GET请求，响应体通常是请求的资源（如HTML、JSON、图像等）。对于POST请求，响应体可能包含处理结果或其他数据。

完整的HTTP响应示例

HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
Content-Length: 112
Date: Tue, 21 Mar 2023 10:10:00 GMT
Server: Apache/2.4.1<html><body><h1>Welcome to the website</h1></body>
</html>

1.3 HTTP的局限性

无状态性：HTTP是无状态协议，每次请求都是独立的，不会记录上一次请求的任何信息，如果需要记录用户状态，需要额外机制如：
- Cookies：浏览器在发送请求时，可以携带上次访问时服务器存储的Cookies（小型文本数据），服务器通过这些Cookies来识别用户的身份或维持会话状态。
高开销：每次请求都需要建立TCP连接，导致网络开销较大，尤其在频繁请求的场景下。
实时性差：HTTP通常是客户端主动发起请求，服务器无法主动推送数据。

HTTP可以传哪些数据？

文本数据（如HTML、JSON、XML等）
二进制数据（如图片、音频、视频、PDF等）

MQTT协议概述

2.1 MQTT的基本概念

MQTT是一种轻量级的、基于发布/订阅模式的消息传输协议，使用TCP协议进行传输，端口为1883（非加密）和8883（加密），客户端通过发布（Publish）消息到某个主题（Topic），而其他订阅（Subscribe）该主题的客户端会接收到消息。

2.2 MQTT的基本结构

MQTT协议的消息主要包括以下内容：

主题（Topic）：消息的标签，决定了消息的去向。订阅者根据主题来接收消息。
QoS（Quality of Service）级别：决定消息传输的可靠性。MQTT支持三个级别的QoS：
- QoS 0：最多一次发送，不保证消息送达。
- QoS 1：至少一次发送，确保消息至少送达一次。
- QoS 2：只有一次发送，确保消息只送达一次。
保留标志：用于确保客户端在订阅时能接收到最后一条消息。

MQTT报文格式

MQTT报文格式具有简洁、高效的特点，主要由固定报文头、可变报文头和有效载荷（Payload）三部分组成。

固定报文头（Fixed Header）

固定报文头是每个MQTT报文的基本部分，长度是固定的，始终包含报文类型（Message Type）和报文标志（Flags）。

2.1 报文类型（Message Type）

MQTT定义了不同类型的报文，报文类型都由低四位表示

报文类型	描述	说明
1（0001）	CONNECT	客户端连接到服务器
2	CONNACK	服务器确认客户端连接
3	PUBLISH	发布消息
8	SUBSCRIBE	订阅请求

可变报文头（Variable Header）

可变报文头的内容依赖于报文类型，某些类型的报文没有可变报文头。一般来说，可变报文头部分包括协议版本号、连接标志、客户端ID、订阅主题等信息。

3.1 CONNECT报文的可变报文头

协议名称：MQTT
协议版本：当前版本一般是4（即MQTT 3.1.1）
Keep Alive：心跳间隔时间，单位为秒。
客户端ID：用于标识客户端的唯一标识符。

3.2 PUBLISH报文的可变报文头

主题名（Topic）：消息的目标主题，用于订阅者筛选消息。
消息标识符（Message Identifier）：如果QoS > 0，则会有消息标识符，用于确认消息的投递状态。

有效载荷（Payload）

有效载荷部分就是实际传递的数据内容，报文的有效载荷内容根据报文类型而不同。比如：

PUBLISH报文的有效载荷包含消息体（即客户端发布的消息内容）。
CONNECT报文的有效载荷包含用户名、密码、客户端ID等连接信息。

MQTT Paho库概述、使用方法、API函数

Paho的设计目标是简化MQTT客户端的实现，提供易于使用的API，使开发者能够专注于业务逻辑而不需要深入理解MQTT协议的细节。

MQTTClient_create：创建一个MQTT客户端实例，指定代理的URI和客户端ID。
MQTTClient_connect：连接到MQTT代理，使用连接选项配置（如用户名、密码等）。
MQTTClient_publish：向指定主题发布消息，可以指定消息的QoS、保留标志等。
MQTTClient_subscribe：订阅一个主题，接收该主题的消息。
MQTTClient_unsubscribe：取消订阅主题。