通过抓包的方式来介绍和学习 MQTT 协议，结合真实存在的网络字节，让 PHP 程序猿不存在学习压力，循序渐进的了解熟悉 MQTT 协议

在 5G 时代的背景下，我们也将迎来一个万物互联的时代，习惯了平常的 Web 应用开发，学习一下物联网相关技术也是对自己技术一大提升。

PHP 作为脚本语言，官方定位是一个适合 Web 开发的语言，那么如何使用 PHP 开发一个物联网应用？

首先我们需要知道物联网中常用的一些通讯协议，例如 MQTT、Modbus、Coap 等等。

这里我就以 MQTT 协议为例，讲解 PHP 如何来开发一个物联网应用？

PHP（“PHP: Hypertext Preprocessor”，超文本预处理器的字母缩写）是一种被广泛应用的开放源代码的多用途脚本语言，它可嵌入到 HTML 中，尤其适合 web 开发。

这句话是来自 PHP 官网，可见 PHP 官方对自己的定位就是 web 开发，但是尽管 PHP 的开发是以服务端脚本为目的，但事实上其功能远不局限与此…

它不但可以作为服务端脚本，也可以作为命令行脚本，当你在使用 php -v 查看 PHP 版本或者 php -m 查看安装的扩展时，这时你就在操作命令行脚本了。

了解过 Swoole 的小伙伴应该都知道：Swoole 的大部分功能只适用于 CLI 模式，也就是命令行脚本，在使用时就需要通过在命令中执行 php index.php 这种方式来运行。

而且 PHP 还能编写桌面应用程序，关于如何编写桌面应用程序这里就不过多说明，感兴趣的可以去 GitHub 或者谷歌了解一下。

那么现在都已经到了 2021 年，你还仅仅使用 PHP 来进行 CRUD 吗？没有其他什么能做了？答案当然是不！

在 Swoole 的加持之下，PHP 现在可以开发：即时通信（IM）、实时视频语音（WebRTC）、网络游戏（斗地主、五子棋、魔兽世界、传奇 2）以及物联网（MQTT），这些项目都可以在 GitHub 上找到。

既然要开发一个物联网项目，那么说到底什么是物联网？

物联网其实是互联网的一个延伸，互联网的终端是计算机（PC、服务器），我们运行的所有程序，无非都是计算机和网络中的数据处理和数据传输，除了计算机外，没有涉及任何其他的终端（硬件）。

物联网的本质还是互联网，只不过终端不再是计算机（PC、服务器），而是嵌入式计算机系统及其配套的传感器。

这是计算机科技发展的必然结果，为人类服务的计算机呈现出各种形态，如穿戴设备、环境监控设备、虚拟现实设备等等。

只要有硬件或产品连上网，发生数据交互，就叫物联网，万物相连的互联网。

那么 PHP 应该如何去开发物联网应用程序？

最常规的，也是对 PHP 程序员来说最简单的，首先就是后台模块，开发物联网项目的管理系统

这里就用到了 PHP 的 CRUD，开发起来也是很快的，例如：数据管理、报表管理、开关控制、设备管理、充值缴费等等，这些应该对于 PHP 程序员来说应该已经是得心应手了。

都说到这里了，也应该说一下重点了，那就是 PHP 如何进行 MQTT 协议解析来进行设备通讯交互呢？什么是 MQTT 协议？

MQTT 是一种基于发布 / 订阅（publish/subscribe）模式的 "轻量级" 通讯协议。

MQTT 协议是轻量、简单、开放和易于实现的，由于物联网的环境是非常特别的，所以 MQTT 遵循以下设计原则：

• 发布 / 订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递；
• 允许用户动态创建主题，零运维成本；
• 把传输量降到最低以提高传输效率；
• 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；

PHP 需要处理 MQTT 协议解析，这就要使用到 Swoole 扩展，它提供了一个选项：open_mqtt_protocol，启用后会解析 MQTT 包头，Worker 进程的 onReceive 事件每次会返回一个完整的 MQTT 数据包。

也可以使用原生 PHP 来自己进行解析包头包体，这里我们就直接基于 Swoole 来使用演示。

同时还会用到 PHP 内置的一些函数，例如：pack/unpack、ord/chr 以及位运算等

使用 pack/unpack 来封包和解包，使用 ord/chr 来转换 Ascii 码

在开始分析之前，推荐安装两个应用来方便我们进行测试：

一个是 Wireshark，用来进行网络分析、抓包，这样我们就可以明显的看到 MQTT 客户端发来的数据包；

另外一个是 MQTT 客户端，用来模拟硬件发送数据。

MQTT v3 的协议一共有 14 种报文类型，v5 有 15 种类型，增加了 AUTH 类型。

通过 MQTT 的协议文档我们可以了解到每个数据包的第一个字节就是协议类型，而第二字节则为剩余长度，那么我们就可以通过位运算和 ord 来获取每个包的报文类型和剩余长度

如果剩余长度又是一个变长的编码，没有超过 128 的话，我们还可以这样获取，但是超过以后这样获取到是错误的数据

通过协议文档中的 C 示例代码，就可以转为使用 PHP 编写的代码：

这样我们就能正确获得到 0 – 268435455 之间的剩余长度。

下面接着以第一个数据包类型 CONNECT 来作为说明，毕竟我们必须要先进行连接。

根据协议，在 CONNECT 包中，我们可以获取到以下数据：

• Protocol Name 协议名称
• Protocol Level 协议等级
• Connect Flags 连接标志
• Keep Alive 保持连接
• Client ID 客户端 ID
• Will Topic 遗嘱 topic
• Will Message 遗嘱消息
• User Name 用户名
• Password 密码

在 Connect Flags 包含了一些 Flag 位，用于表示是否设置了用户名密码、遗嘱消息、清除会话、QoS 等级等

我们来试着使用代码来获取一下这些信息，需要注意的是 MQTT 协议为大端序，即高位在前。

协议名称为 4 个字节，协议等级为 1 个字节

Connect Flags 的数据包为 1 个字节，8 个 bit

CONNECT 数据包的有效载荷包含一个或多个带前缀的字段，这些字段的存在由变量头中的标志确定。

这些字段（如果存在）必须按客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码的顺序出现。

因为它们都是 utf-8 的字符串，所以我们可以封装一个方法来统一调用，减少了一部分重复代码。

这样我们就完成了一次 CONNECT 数据包的解析，在解析的时候会用到 unpack 和 ord，反之在封包的时候就会用到 pack 和 chr。

和对应的协议文档对应起来，似乎 MQTT 协议并没有那么困难，所以不要有压力，说自己搞不定…

当然你也可以直接使用我写的代码：simps/mqtt ，适用于 PHP 的 MQTT 协议解析和协程客户端，而且还是首个支持 MQTT v5.0 协议的 PHP 库。

支持 MQTT 协议 3.1、3.1.1 和 5.0 版本，支持 QoS 0、QoS 1、QoS 2。

以 CONNECT 数据包为例，证明 PHP 也可以使用 MQTT 协议来和设备通讯，当然不止这一个协议，Modbus 等也可以，并且也有 PHP 的实现库。

在这里也向大家介绍一个能让 PHP 支持嵌入式开发的工具：PHPoC

PHPoC (PHP on Chip)：是一个编程语言和一个物联网硬件开发平台。

PHPoC 是基于泛用脚本语言 PHP 开发的可编程语言。

PHPoC 基本与 PHP 兼容，但为了嵌入式系统开发增加了 I/O, UART, I2C, SPI, ADC, TIMER/COUNTER, RTC 等支持硬件接口及硬件控制的新函数及功能。

这样我们就能基于它来编写嵌入式程序，这样就更加丰富了 PHP 的生态能力，感兴趣的可以了解一下。

本文正在参加腾讯云加社区技术创作 101 训练营，阅读 PDF 可以访问【技术创作 101 训练营】PHP 也能开发物联网应用程序

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