--- title: 网络编程简介 date: 2025-12-15 --- # 一、TCP ## 1.1 定义   TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网核心的**面向连接、可靠、字节流**的传输层协议，工作在 OSI 模型的传输层（TCP/IP 模型的传输层），基于 IP 协议提供端到端的可靠数据传输服务。它是 HTTP、HTTPS、WebSocket、MQTT 等应用层协议的底层依赖，核心目标是解决 IP 协议 “无连接、不可靠、无顺序” 的缺陷，确保数据在不可靠的网络中准确、完整、有序地传输。 ## 1.2 特性 ### 1.2.1 面向连接   通信前必须完成「三次握手」建立连接，通信后通过「四次挥手」释放连接： - 三次握手：客户端发 SYN → 服务器回 SYN+ACK → 客户端发 ACK（确保双方收发能力正常）； - 四次挥手：客户端发 FIN → 服务器回 ACK → 服务器发 FIN → 客户端回 ACK（确保数据传输完毕）。 ### 1.2.2 可靠传输 - 序号与确认号：每个字节都有序号，接收方收到后回复确认号，未收到则发送方重传； - 超时重传：发送方未在规定时间收到确认，自动重传数据； - 流量控制：通过滑动窗口机制，防止发送方发送过快导致接收方缓冲区溢出； - 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等算法，适应网络带宽变化。 ### 1.2.3 面向字节流   TCP 将应用层数据视为连续的字节流，不保留应用层数据的边界（与 UDP 的 “数据报” 模式不同）： - 发送方：应用层数据被拆分为 TCP 报文段（Segment）发送，拆分规则由 TCP 协议决定（如 MSS 限制）。 - 接收方：将收到的报文段按顺序重组为完整的字节流，再交给应用层，确保数据顺序与发送时一致。 ### 1.2.4 有序传输   TCP 报文段头部包含 “序号（Sequence Number）” 和 “确认号（Acknowledgment Number）”： - 序号（SN）：标识发送方当前发送的字节流位置（如序号为 100 表示当前报文段的第一个字节是整个字节流的第 100 字节）。 - 确认号（ACK）：标识接收方期望下次接收的字节流位置（如确认号为 200 表示已正确接收前 199 字节，下次需从 200 字节开始接收）。 - 接收方通过序号排序报文段，丢弃重复报文，确保按发送顺序交付数据。 ### 1.2.5 全双工通信   TCP 连接是双向的，双方可同时发送和接收数据，无需等待对方结束发送： - 每个方向都有独立的发送缓冲区和接收缓冲区，以及独立的滑动窗口用于流量控制。 - 示例：客户端发送数据的同时，服务器可同步向客户端返回响应，无需等待客户端发送完毕。 ## 1.3 优缺点   优点： 1. 可靠、有序、无丢包 2. 支持流量 / 拥塞控制 3. 适用于大数据传输   缺点： 1. 连接建立 / 释放开销大 2. 头部开销大（20-60 字节） 3. 不适合实时性要求极高的场景（如直播低延迟） ## 1.4 Python实现   TCP服务器： ```python import socket import signal import threading from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor from dotenv import load_dotenv import os from model.mqtt import UNKNOWN_MESSAGE from processor.tcp_processor import TcpMessageProcessor from config.logger_config import logger class TCPServer: def __init__(self): load_dotenv() self.host = os.getenv("TCP_HOST", 'localhost') self.port = int(os.getenv("TCP_PORT", 9100)) self.max_workers = 10 self.timeout = 300 self.server_socket = None self.running = False self.thread_pool = ThreadPoolExecutor(max_workers=self.max_workers) self.message_processor = TcpMessageProcessor() # 已经连接的客户端 self.clients = {} self.client_lock = threading.Lock() self.server_thread = None signal.signal(signal.SIGTERM, self._handle_signal) signal.signal(signal.SIGINT, self._handle_signal) def _handle_signal(self, signum, frame): """处理终止信号，触发优雅关闭""" logger.info(f"收到信号 {signum}，准备关闭服务器...") self.running = False def _start_loop(self): """启动服务器""" try: # 创建 TCP/IP socket AF_INET: IPv4地址族 SOCK_STREAM: TCP协议（面向连接） self.server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # 设置SO_REUSEADDR选项，允许重用地址和端口，避免服务端重启时出现 “地址已被占用” 的错误 self.server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) # 绑定到指定主机和端口 0.0.0.0 表示所有主机 self.server_socket.bind((self.host, self.port)) # 设置最大等待连接数 self.server_socket.listen(5) # 设置socket超时时间（1.0秒） self.server_socket.settimeout(1.0) self.running = True logger.info(f"TCP服务器启动，监听 {self.host}:{self.port} " f"（最大线程: {self.max_workers}, 超时: {self.timeout}s）") while self.running: try: # accept() 会阻塞直到有客户端连接 # client_socket: 与客户端通信的新socket client_address: 客户端地址(ip, port)元组 client_socket, client_address = self.server_socket.accept() # 获取客户端IP client_ip = client_address[0] # 设置客户端socket超时 # 防止客户端长时间不发送数据 client_socket.settimeout(self.timeout) logger.info(f"新连接: {client_address}") # 存储客户端 with self.client_lock: self.clients[client_ip] = client_socket # 提交到线程池处理 # 提交到线程池是为了让服务器能同时服务多个客户端，而不让一个慢客户端阻塞所有其他客户端 self.thread_pool.submit(self.handle_client, client_socket, client_ip) except socket.timeout: continue except Exception as e: if self.running: logger.error(f"接受连接失败: {str(e)}") except Exception as e: logger.error(f"TCP服务器启动失败: {str(e)}") finally: self.stop() def start(self): self.server_thread = threading.Thread(target=self._start_loop, daemon=True) self.server_thread.start() def stop(self): if not self.running: return self.running = False logger.info("开始关闭服务器...") # 移除客户端 with self.client_lock: for client_socket in self.clients.values(): try: client_socket.close() except Exception as e: logger.warning(f"关闭客户端连接失败: {str(e)}") self.clients.clear() # 关闭线程池 self.thread_pool.shutdown(wait=True) logger.info("所有客户端处理线程已结束") # 关闭连接 if self.server_socket: self.server_socket.close() logger.info(f"服务器已关闭（{self.host}:{self.port}）") def handle_client(self, client_socket, client_ip): """处理客户端连接""" try: while True: data = client_socket.recv(1024) if not data: logger.info(f"客户端 {client_ip} 主动断开连接") break message = data.decode('utf-8').strip() logger.info(f"收到 {client_ip} 的消息: {message}") # 放到消息处理器里面处理 response = self.message_processor.process(message) # 回复消息 if response != UNKNOWN_MESSAGE: client_socket.sendall(response.encode('utf-8')) logger.info(f"回复 {client_ip}: {response}") except socket.timeout: logger.warning(f"客户端 {client_ip} 超时未活动") except Exception as e: logger.error(f"处理 {client_ip} 出错: {str(e)}") finally: # 异常情况下关闭连接 with self.client_lock: if client_ip in self.clients: del self.clients[client_ip] try: client_socket.close() logger.info(f"客户端 {client_ip} 连接已关闭") except Exception as e: logger.warning(f"关闭 {client_ip} 连接失败: {str(e)}") def send_to_client(self, client_ip, message): # 先获取客户端连接（加锁保护） with self.client_lock: client_socket = self.clients.get(client_ip) if not client_socket: logger.warning(f"客户端 {client_ip} 不存在或已断开连接") return False # 发送消息 try: client_socket.sendall(message.encode('utf-8')) logger.info(f"主动发送消息给 {client_ip}: {message}") return True except Exception as e: logger.error(f"向 {client_ip} 发送消息失败: {str(e)}") # 发送失败时移除无效连接 with self.client_lock: if client_ip in self.clients: del self.clients[client_ip] return False tcp_server = TCPServer() ```   main.py： ```python from endpoint.tcp_server import tcp_server from config.logger_config import logger import time if __name__ == "__main__": try: tcp_server.start() try: while True: time.sleep(1) except KeyboardInterrupt: logger.info("收到终止信号，开始关闭程序...") finally: tcp_server.stop() logger.info("程序已退出") except Exception as e: logger.critical(f"程序启动失败: {str(e)}", exc_info=True) exit(1) ```   启动tcp_server后，通过while循环防止主线程退出，从而让后台的TCP服务器线程能继续运行。   在TCPServer中，通过while循环持续接收tcp客户端的连接，每当有一个客户端连接时，会提交到线程池中去处理，通过自定义消息处理器，将处理完的结果返回给客户端。   TCP消息处理器： ::: code-group ```python [抽象消息处理器] from abc import ABC, abstractmethod class AbstractDeviceMessageParser(ABC): """设备消息解析器基类""" @abstractmethod def check(self, message): """判断当前解析器是否能处理该消息""" pass @abstractmethod def parse(self, message): """解析消息内容""" pass @abstractmethod def response(self, parsed_data): """根据解析后的数据生成响应""" pass ``` ```python [示例消息处理器] from datetime import datetime from model.band import BandData from model.mqtt import MqttTopic, MqttData, UNKNOWN_MESSAGE from parser.abstract_parsers import AbstractDeviceMessageParser import re from utils.index import str_length_to_4hex from config.logger_config import logger from endpoint.mqtt_client import mqtt_client class JuweiBandParser(AbstractDeviceMessageParser): """聚伟手环消息解析器""" def __init__(self): # 聚伟手环消息格式: [MNYD*设备ID*内容长度*内容] self.pattern = r'MNYD' self.vendor = "聚伟手环" self.tag = "MNYD" self.device_id = "" def check(self, message): """检查是否为聚伟手环的消息格式""" return re.search(self.pattern, message) is not None def parse(self, message): """解析聚伟手环消息""" try: parts = message.strip("[]").split("*") self.device_id = parts[1] content = parts[3] return { 'vendor': self.vendor, 'device_id': self.device_id, 'content': content, } except Exception as e: logger.error(f"解析{self.vendor}消息出错: {str(e)}") return None def publish_vital_data(self, item, value): mqtt_client.publish( topic=MqttTopic.JuWei_Band_Post.value, payload=MqttData( deviceIp="", deviceId=self.device_id, payload=BandData(item=item, value=value).model_dump_json(), ).model_dump_json()) def response(self, parsed_data): """生成聚伟手环的响应消息""" if not parsed_data: return UNKNOWN_MESSAGE # 处理不同命令 content = parsed_data['content'] parts = content.split(",", 1) content_tag = parts[0] if len(parts) > 0 else "" content_value = parts[1] if len(parts) > 1 else "" replay = UNKNOWN_MESSAGE logger.info(f"解析{content_tag}消息") match content_tag: # PING消息 [MNYD*334588000000156*0004*PING] case "PING": replay = "PING,1" # 日期，步数,翻滚次数,电量百分数,里程数(km) # [MNYD*334588000000156*0014*KA,120414,50,100,100,100.12] case "KA": replay = content_tag # 位置数据上报 # case "UD": # replay = "" # 报警数据上报 # [MNYD*334588000000156*00CD*AL,180916,064153,A,22.570512,N,113.8623267, # E,0.00,154.8,0.0,11,100,100,0,0,00100018,7,0,460,1,9529, # 21809,155,9529,21242,132,9529,21405,131,9529,63554,131,9529, # 63555,130,9529,63556,118,9529,21869,116,0,12.4] case "AL": replay = content_tag # 获取服务器端时间 # [MNYD*YYYYYYYYYYYYYYY*LEN*LGZONE] case "LGZONE": now = datetime.now() current_date = now.date().strftime("%Y-%m-%d") current_time = now.time().strftime("%H:%M:%S") replay = f"{content_tag},+8,{current_time},{current_date}" # 请求位置数据 TODO case "WG": replay = content_tag # 请求电话本设置信息 TODO case "PHLQ": replay = "PHL" # 请求SOS设置信息 TODO case "SOS": replay = content_tag # 终端心率上传 case "heart": self.publish_vital_data(content_tag, content_value) replay = content_tag # 上传体温数据 [MNYD*334588000000156*0009*temp,36.2] case "temp": self.publish_vital_data(content_tag, content_value) replay = content_tag # 上传血压数据 [MNYD*334588000000156*000C*blood,150,70] case "blood": self.publish_vital_data(content_tag, content_value) replay = content_tag # 上传血氧数据 [MNYD*334588000000156*0009*oxygen,97] case "oxygen": self.publish_vital_data(content_tag, content_value) replay = content_tag # 上传睡眠数据报告 case "SLEEPRPT": replay = "SLEEP" case _: logger.info("不需要回复") return UNKNOWN_MESSAGE return f"[{self.tag}*{parsed_data['device_id']}*{str_length_to_4hex(replay)}*{replay}]" ``` ```python [消息处理器] from model.mqtt import UNKNOWN_MESSAGE from parser.juwei_band_parser import JuweiBandParser from config.logger_config import logger class TcpMessageProcessor: """消息处理器，负责将消息路由到正确的设备解析器""" def __init__(self): # 注册所有支持的设备解析器 self.parsers = [JuweiBandParser()] def process(self, message): """处理消息，返回响应""" # 尝试找到能处理该消息的解析器 for parser in self.parsers: if parser.check(message): parsed_data = parser.parse(message) if parsed_data: logger.info(f"处理{parsed_data['vendor']}消息: {message}") return parser.response(parsed_data) # 没有找到合适的解析器 logger.warning(f"未识别的消息格式: {message}") return UNKNOWN_MESSAGE ``` ::: # 二、HTTP ## 2.1 定义   HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是互联网的核心协议之一，用于**客户端（如浏览器、App）与服务器之间的通信**，是万维网（WWW）数据交换的基础。它定义了请求 / 响应的格式、传输规则和状态码等核心机制，支持从简单文本到复杂多媒体（图片、视频、文件）的传输，也是现代 Web 应用的底层通信标准。 ## 2.2 特性 ### 2.2.1 请求 - 响应模式   通信由客户端主动发起请求，服务器接收后处理并返回响应，不存在服务器主动向客户端推送数据的情况（HTTP/2 引入 Server Push 扩展，可主动推送关联资源）。   一次完整通信流程：**客户端建立连接 → 发送请求 → 服务器处理 → 返回响应 → 连接关闭**（HTTP/1.1 默认开启长连接 Keep-Alive）。 ### 2.2.2 无状态   **服务器不会保存客户端的会话状态**（如登录状态、浏览记录），每次请求都是独立的，服务器无法通过协议本身识别连续请求是否来自同一客户端。通过 Cookie、Session、Token（如 JWT）等机制补充状态管理。 ## 2.3 版本 ### 2.3.1 HTTP/1.0（1996 年） - 基础版本，支持 GET、POST、HEAD 三种请求方法。 - 每次请求都需要建立新的 TCP 连接（短连接），连接建立和关闭的开销大，性能较低。 - 不支持长连接、管线化请求，仅支持简单的文本传输。 ### 2.3.2 HTTP/1.1（1999 年） - 默认开启 长连接（Keep-Alive）：同一 TCP 连接可处理多个请求，减少连接开销。 - 支持 管线化请求：客户端可连续发送多个请求，无需等待前一个响应返回（部分浏览器未完全支持）。 - 新增请求方法：PUT、DELETE、OPTIONS、TRACE、CONNECT。 - 支持 chunked 编码（分块传输）、缓存控制（Cache-Control）、内容协商等核心功能。 ### 2.3.3 HTTP/2（2015 年）   基于 SPDY 协议优化，核心目标是提升性能： - 二进制帧传输：将请求 / 响应数据拆分为二进制帧，而非 HTTP/1.x 的文本格式，解析效率更高。 - 多路复用：同一 TCP 连接中可并发处理多个请求（通过帧的 Stream ID 区分），解决 HTTP/1.1 的 “队头阻塞” 问题。 - 服务器推送（Server Push）：服务器可主动向客户端推送关联资源（如 HTML 引用的 CSS/JS），减少客户端请求次数。 - 头部压缩（HPACK）：对请求头和响应头进行压缩，减少传输体积（HTTP/1.x 头部重复传输开销大）。 ### 2.3.4 HTTP/3（2022 年）   基于 SPDY 协议优化，核心目标是提升性能： - 解决 TCP 队头阻塞：UDP 无连接特性，单个流的阻塞不影响其他流。 - 更快的连接建立：QUIC 集成 TLS 1.3，减少握手次数（1-RTT 甚至 0-RTT 建立连接）。 - 更好的移动网络支持：支持连接迁移（如手机切换 WiFi/4G 时，连接不中断）。 ## 2.4 组成 ### 2.4.1 请求消息（Request）   客户端向服务器发送的请求格式，由 请求行、请求头、空行、请求体 四部分组成： ```http GET /api/courses/1 HTTP/1.1 # 请求行 Host: lms.example.com # 请求头（键值对形式） Authorization: Bearer Accept: application/json User-Agent: Mozilla/5.0 (Chrome/120.0.0.0) Content-Type: application/json {"username": "admin", "password": "123456"} # 请求体（可选，POST/PUT 等方法常用） ``` #### 请求行 - 请求方法：表示请求的操作类型（常用方法如下表）。 - 请求 URI：指定服务器上的资源路径。 - 协议版本：如 HTTP/1.1、HTTP/2。 #### 请求头   描述请求的附加信息，常用字段： - Host：目标服务器域名（如 lms.example.com），HTTP/1.1 必选字段。 - User-Agent：客户端身份标识（如浏览器版本、App 名称）。 - Accept：客户端可接收的响应数据格式（如 application/json、text/html）。 - Content-Type：请求体的数据格式（如 application/json、multipart/form-data（文件上传））。 - Authorization：身份认证信息（如 Token、Basic Auth）。 - Cookie：客户端存储的会话信息（如登录态 Cookie）。 - Cache-Control：缓存控制策略（如 no-cache 表示不使用缓存）。 #### 请求体   可选部分，仅在需要向服务器提交数据时使用（如 POST 提交表单、PUT 更新资源），数据格式由 Content-Type 指定： - 表单数据：application/x-www-form-urlencoded（如 username=admin&password=123）。 - JSON 数据：application/json（如 {"key": "value"}）。 - 文件上传：multipart/form-data（如 LMS 系统的作业文件上传）。 - 纯文本：text/plain。 ### 2.4.2 响应消息（Response）   服务器向客户端返回的响应格式，由 状态行、响应头、空行、响应体 四部分组成： ```http HTTP/1.1 200 OK # 状态行 Server: Nginx Content-Type: application/json Content-Length: 128 Set-Cookie: sessionId=abc123; Path=/ {"code": 200, "message": "success", "data": {"id": 1, "name": "Vue3 实战课程"}} # 响应体 ``` #### 状态行 - 协议版本：如 HTTP/1.1。 - 状态码：表示请求处理结果。 - 状态短语：状态码的文字描述（如 OK、Not Found）。 #### HTTP状态码 | 分类 | 状态码范围 | 含义 | 常用码 | |------|------------|-----------------------|-------------------------| | 1xx | 100-199 | 信息性响应（临时响应）| 100 Continue（预检通过）| | 2xx | 200-299 | 成功响应 | 200 OK（成功）、201 Created（资源创建成功）、204 No Content（成功无响应体）| | 3xx | 300-399 | 重定向 | 301 永久重定向、302 临时重定向、304 Not Modified（缓存有效）| | 4xx | 400-499 | 客户端错误 | 400 Bad Request（请求参数错误）、401 Unauthorized（未认证）、403 Forbidden（权限不足）、404 Not Found（资源不存在）、405 Method Not Allowed（请求方法不支持）| | 5xx | 500-599 | 服务器错误 | 500 Internal Server Error（服务器内部错误）、502 Bad Gateway（网关错误）、503 Service Unavailable（服务不可用）、504 Gateway Timeout（网关超时）| #### 响应头   描述响应的附加信息，常用字段： - Server：服务器软件标识（如 Nginx、Tomcat）。 - Content-Type：响应体的数据格式（如 application/json、text/html）。 - Content-Length：响应体的字节大小。 - Set-Cookie：服务器向客户端设置 Cookie（如登录态、会话 ID）。 - Cache-Control：缓存控制策略（如 max-age=3600 表示缓存 1 小时）。 - Access-Control-Allow-Origin：跨域资源共享（CORS）配置（如 * 表示允许所有域名跨域）。 - Location：重定向目标地址（3xx 状态码必选）。 #### 响应体   服务器返回的核心数据，数据格式由 Content-Type 指定，常见格式： - JSON：前后端分离项目首选（如 {"code": 200, "data": [...]}）。 - HTML：传统 Web 页面（如静态网页、JSP 页面）。 - 图片 / 视频：二进制流（如 image/jpeg、video/mp4）。 - 纯文本：text/plain。 # 三、WebSocket ## 3.1 定义   WebSocket 是一种**全双工、双向、持久化的网络通信协议**（属于应用层协议），由 HTML5 规范定义，专门解决 HTTP 协议无法实现服务器主动向客户端推送数据的问题。   它的核心特点是：**一旦客户端与服务器建立连接，双方就可以在这个连接上实时、双向地发送数据**，无需像 HTTP 那样每次通信都由客户端发起请求，非常适合实时通信场景（如聊天、直播弹幕、实时数据监控、在线协作等）。 | 特性 | HTTP | WebSocket | |---------------------|-------------------------------|-------------------------------| | 通信方向 | 单向（客户端请求→服务器响应）| 全双工（双方可同时发数据）| | 连接类型 | 短连接 / 长连接（需重复请求） | 持久连接（一次建立，持续通信） | | 数据传输效率 | 每次请求带大量头部信息，效率低 | 连接建立后仅传输数据，开销小 | | 服务器主动推送 | 不支持（HTTP/2 的 Server Push 仅能推送资源，非实时数据） | 原生支持，可主动向客户端发数据 | | 协议标识 | http:// / https:// | ws:// / wss://（加密版）| ## 3.2 特性 ### 3.2.1 握手过程 1. 客户端发送 HTTP 请求，请求头包含 Upgrade: websocket 和 Connection: Upgrade（表示要升级为 WebSocket 协议）； 2. 服务器响应 101 Switching Protocols，握手成功，连接转为 WebSocket 持久连接； 3. 后续通信不再使用 HTTP 格式，而是 WebSocket 帧格式（二进制 / 文本）。   请求头： ```http GET /chat HTTP/1.1 Host: example.com Upgrade: websocket # 核心：请求升级为WebSocket协议 Connection: Upgrade # 核心：表示连接要升级 Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ== # 客户端生成的随机密钥，用于验证 Sec-WebSocket-Version: 13 # 指定WebSocket版本（主流为13） Origin: https://example.com # 跨域验证 ```   响应头： ```http HTTP/1.1 101 Switching Protocols Upgrade: websocket Connection: Upgrade Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo= # 服务器加密后的密钥，客户端验证 ``` ### 3.2.2 全双工通信   此时 HTTP 连接已升级为 WebSocket 连接，双方可以通过这个连接实时、双向地发送数据。数据传输采用帧（Frame） 格式，支持文本数据和二进制数据（如图片、视频流）。 ### 3.2.3 帧格式   WebSocket 数据以帧为单位传输，帧头包含操作码（文本帧 0x01、二进制帧 0x02、关闭帧 0x08 等）、掩码（客户端发送数据需掩码，服务器无需）； ### 3.2.4 无同源限制   WebSocket 不遵循同源策略（但服务器可通过 Origin 头限制跨域）； ### 3.2.5 心跳机制   通过 Ping/Pong 帧维持连接（避免网络设备断开空闲连接，如 LMS 系统需定期发送 Ping 帧，服务器回复 Pong 帧）。 # 四、MQTT ## 4.1 定义   MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是一种**轻量级、低带宽、低功耗的发布 / 订阅（Publish/Subscribe）模式物联网（IoT）通信协议**，由 IBM 于 1999 年设计，核心目标是解决受限设备（如传感器、嵌入式设备）和低带宽、不稳定网络环境下的高效数据传输问题。 ## 4.2 架构 - 发布者（Publisher）：发送消息的设备 / 服务； - 订阅者（Subscriber）：接收消息的设备 / 服务； - broker（代理服务器）：核心中间件，接收发布者的消息，根据「主题（Topic）」转发给订阅者（如 EMQ X、Mosquitto、RabbitMQ 支持 MQTT 插件）； - 主题（Topic）：消息的分类标识。 ## 4.3 特性 ### 4.3.1 QoS（服务质量）等级 - QoS 0（最多一次）：消息发送一次，不保证送达； - QoS 1（至少一次）：消息至少送达一次，可能重复； - QoS 2（恰好一次）：消息仅送达一次，最可靠。 ### 4.3.2 轻量级   头部开销极小（固定头部仅 2 字节），消息体支持二进制 / 文本，适合低带宽场景 ### 4.3.3 保留消息（Retained Message）   broker 保存某个主题的最后一条消息，新订阅者订阅后立即收到该消息 ### 4.3.4 遗嘱消息（Will Message）   客户端异常断开时，broker 自动发送预设消息 ### 4.3.5 清洁会话（Clean Session）   客户端断开连接后，broker 是否保留订阅信息和未送达消息 ## 4.4 组成   MQTT 消息由 固定头部（Fixed Header）、可变头部（Variable Header）、负载（Payload） 三部分组成： | 部分 | 作用 | |--------------|----------------------------------------------------------------------| | 固定头部 | 必选，2 字节起，包含消息类型（如发布、订阅）、QoS 等级、是否保留消息等标识。 | | 可变头部 | 可选，仅部分消息类型（如发布、订阅）需要，包含主题名、消息 ID 等信息。 | | 负载 | 可选，消息的实际内容（如 JSON 字符串、二进制数据），例如 {"temperature": 25}。 | # 五、.Net Core实现 ## 5.1 SuperSocket   [SuperSocket](https://www.supersocket.net/)是一个轻量级, 跨平台而且可扩展的 .Net/Mono Socket 服务器程序框架。可以轻松构建TCP、UDP、WebSocket服务器。 ## 5.2 安装依赖   NuGut安装SuperSocket、SuperSocket.WebSocket和SuperSocket.WebSocket.Server 2.0及以上版本。 ## 5.3 配置文件   appsettings.json ```json { "serverOptions": { "TcpServer": { "name": "TcpServer", "listeners": [ { "ip": "Any", "port": 4040 } ] }, "WebSocketServer": { "name": "WebSocket", "listeners": [ { "ip": "Any", "port": 5050 } ] } }, "Mqtt": { "Host": "127.0.0.1", "Port": 1883, "ClientId": "MqttClient", "Topics": [ "test/topic1", "test/topic2" ] } } ``` ## 5.3 主程序   program.cs ```cs var host = Host.CreateDefaultBuilder(args) .ConfigureServices((context, services) => { services.AddSingleton, TcpPackageHandler>(); services.AddSingleton(); // 1. 注入 MQTT 配置 services.Configure(context.Configuration.GetSection("Mqtt")); // 2. 注册 MQTT 客户端 services.AddSingleton(serviceProvider => new MqttClientFactory().CreateMqttClient()); // 3. 注册 MQTT 后台服务 services.AddHostedService(); }) .AsMultipleServerHostBuilder() .AddServer(builder => { builder.ConfigureServerOptions((ctx, config) => config.GetSection("TcpServer")); }) .AddWebSocketServer(builder => { builder .UseWebSocketMessageHandler(async (session, package) => { using var scope = session.Server.ServiceProvider.CreateScope(); var handler = scope.ServiceProvider.GetRequiredService(); await handler.HandleAsync(session, package); }) .ConfigureServerOptions((ctx, config) => config.GetSection("WebSocketServer")); }) .ConfigureLogging(logging => logging.ClearProviders()) .UseNLog() .Build(); await host.RunAsync(); ```   通过.AsMultipleServerHostBuilder()可以构造多服务器实例。 ## 5.4 TCP服务器 ### 5.4.1 协议数据 ```cs /// /// 协议数据结构 示例：65 6D 00 05 00 01 68 65 6C 6C 6F /// /// 帧头标识 /// 数据长度 /// 数据类型 /// 数据内容 /// record ProtocolFrame( ushort Magic, ushort Length, ushort Type, byte[] Payload ); ```   可以根据实际情况自定义消息格式。 ### 5.4.2 协议解析 ```cs class BinaryPipelineFilter : FixedHeaderPipelineFilter { /// /// 固定头长度 /// public BinaryPipelineFilter() : base(6) { } /// /// 从包头中解析出 Body 长度 /// /// 字节流 /// Body 长度 protected override int GetBodyLengthFromHeader(ref ReadOnlySequence buffer) { var reader = new SequenceReader(buffer); // 读取前2字节 → magic reader.TryReadBigEndian(out ushort magic); // 再读2字节 → Length reader.TryReadBigEndian(out ushort length); // 再读2字节 → Type reader.TryReadBigEndian(out ushort type); // 校验帧头 if (magic != 0x656D) { throw new Exception("非法帧头"); } // 限制长度 if (length == 0 || length > 8192) { throw new Exception("非法长度"); } // 返回 Payload 长度 return length; } /// /// 把完整字节包 → 转换成 ProtocolFrame /// /// 字节流 /// ProtocolFrame protected override ProtocolFrame DecodePackage(ref ReadOnlySequence buffer) { var reader = new SequenceReader(buffer); // 读取前2字节 → magic reader.TryReadBigEndian(out ushort magic); // 再读2字节 → Length reader.TryReadBigEndian(out ushort length); // 再读2字节 → Type reader.TryReadBigEndian(out ushort type); var payload = buffer.Slice(6, length).ToArray(); // 构造ProtocolFrame return new ProtocolFrame(magic, length, type, payload); } } ```   根据协议数据ProtocolFrame来解包。 ### 5.4.3 消息处理 ```cs class TcpPackageHandler(ILogger logger) : IPackageHandler { private readonly ILogger _logger = logger; public async ValueTask Handle(IAppSession session, ProtocolFrame package, CancellationToken cancellationToken) { _logger.LogInformation($"Magic={package.Magic:X4}, Type={package.Type}, Len={package.Length}"); await session.SendAsync(package.Payload, cancellationToken); } } ``` ### 5.4.4 TCPService ```cs class TcpService(IServiceProvider serviceProvider, IOptions serverOptions) : SuperSocketService(serviceProvider, serverOptions) { } ``` ## 5.5 Websocket服务器 ### 5.5.1 消息处理 ```cs class WebSocketMessageHandler(ILogger logger) { private readonly ILogger _logger = logger; public async ValueTask HandleAsync(WebSocketSession session, WebSocketPackage package) { _logger.LogInformation($"[WebSocket] {package.Message}"); await session.SendAsync("ok"); } } ``` ## 5.6 MQTT服务器 ### 5.6 MqttService ```cs class MqttService(IMqttClient mqttClient, IOptions settings, ILogger logger) : BackgroundService { private readonly IMqttClient _mqttClient = mqttClient; private readonly MqttSettings _settings = settings.Value; private readonly ILogger _logger = logger; private MqttClientOptions? _mqttOptions; protected override async Task ExecuteAsync(CancellationToken stoppingToken) { // 构建连接配置 _mqttOptions = new MqttClientOptionsBuilder() .WithClientId($"{_settings.ClientId}_{Guid.NewGuid():N}") .WithTcpServer(_settings.Host, _settings.Port) .WithCleanSession() .Build(); _mqttClient.ConnectedAsync += OnConnectedAsync; _mqttClient.DisconnectedAsync += OnDisconnectedAsync; _mqttClient.ApplicationMessageReceivedAsync += HandleMessage; _logger.LogInformation("[MQTT] 正在连接到服务器 {Host}:{Port}...", _settings.Host, _settings.Port); await _mqttClient.ConnectAsync(_mqttOptions, stoppingToken); // 等待程序停止 await Task.Delay(Timeout.Infinite, stoppingToken); } public async Task OnConnectedAsync(MqttClientConnectedEventArgs arg) { _logger.LogInformation("[MQTT] 已成功连接到服务器"); // 连接成功后订阅主题 foreach (var topic in _settings.Topics) { await _mqttClient.SubscribeAsync(topic, MqttQualityOfServiceLevel.AtLeastOnce); _logger.LogInformation($"[MQTT] 已订阅主题：{topic}"); } await Task.CompletedTask; } public async Task OnDisconnectedAsync(MqttClientDisconnectedEventArgs arg) { _logger.LogError("[MQTT] 连接失败，原因：{Reason}", arg.Reason); await Task.CompletedTask; } public async Task HandleMessage(MqttApplicationMessageReceivedEventArgs arg) { var topic = arg.ApplicationMessage.Topic; var payload = Encoding.UTF8.GetString(arg.ApplicationMessage.Payload); _logger.LogInformation($"\n[MQTT] 收到消息\n主题：{topic}\n内容：{payload}\n"); await Task.CompletedTask; } public async Task PublishAsync(string topic, string payload, CancellationToken cancellationToken = default) { try { var message = new MqttApplicationMessageBuilder() .WithTopic(topic) .WithPayload(payload) .WithQualityOfServiceLevel(MqttQualityOfServiceLevel.AtLeastOnce) .Build(); await _mqttClient.PublishAsync(message, cancellationToken); return true; } catch (Exception ex) { _logger.LogError(ex, "[MQTT] 发布消息到主题 {Topic} 失败", topic); return false; } } public override async Task StopAsync(CancellationToken stoppingToken) { await _mqttClient.DisconnectAsync(); await base.StopAsync(stoppingToken); } } ```   需要实现后台服务接口一直运行。