1. MQTT 协议基础

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是基于发布/订阅模式的轻量级消息协议，采用客户端-服务器架构，常用于物联网（IoT）等需要低带宽和低功耗的场景 (MQTT协议基本流程、原理_mqtt协议工作原理-CSDN博客)。在 MQTT 中，**发布者（Publisher）和订阅者（Subscriber）无需直接通信，而是通过代理服务器（Broker）**中转消息。Broker 接收发布者发送的消息，并根据消息的主题（Topic）将其分发给所有对此主题感兴趣（已订阅该主题）的订阅者 (MQTT 协议快速入门 2025：基础知识和实用教程 | EMQ)。MQTT 使用持久的 TCP 连接（通常端口1883，TLS加密端口8883）来传输数据，可选用 TLS/SSL 加密保证安全 (MQTT 协议快速入门 2025：基础知识和实用教程 | EMQ)。

1.1 发布/订阅模型

MQTT 使用发布/订阅（Pub/Sub）的通信模型。发布者将消息发送到某个主题（Topic）上，Broker 会将收到的消息路由给所有订阅了该主题的客户端。每条消息附带一个主题名称，类似于标签。订阅者通过向 Broker 发出订阅请求（SUBSCRIBE 报文），告诉 Broker 感兴趣的主题。Broker 维护所有客户端的订阅列表，当有发布消息到达时，Broker 根据主题匹配将消息副本发送给所有匹配的订阅者。由于发布者和订阅者解耦，发布者无需了解任何订阅者的存在，也不知道是否有人接收 (MQTT 协议快速入门 2025：基础知识和实用教程 | EMQ)。这种模式非常适合一对多消息分发和松耦合系统，例如传感器网络中的数据采集和分发。

1.2 MQTT 消息类型与格式

MQTT 定义了一系列**控制报文（Control Packet）**用于客户端与 Broker 之间的通信。主要的报文类型包括：

• CONNECT：客户端请求建立连接时发送的连接报文，包含协议版本、客户端ID、用户名/密码（可选）、遗嘱消息（Last Will，可选）、KeepAlive 保活时间等信息。
• CONNACK：Broker 对 CONNECT 请求的响应报文，指示连接是否成功（返回码为0表示成功）以及会话是否已存在等。
• PUBLISH：发布消息报文，由发布者发送。包含主题名和消息内容，可能还附带消息ID（用于 QoS1/QoS2 下确认）等。
• SUBSCRIBE：订阅请求报文，由订阅者发送以订阅一个或多个主题。携带每个订阅主题的过滤表达式和请求的 QoS 等级。
• SUBACK：Broker 对 SUBSCRIBE 请求的确认报文，包含各主题订阅的确认结果（如授权的QoS等级或失败）。
• PUBACK：针对 QoS1 的 PUBLISH 的确认报文，发布端收到 PUBACK 表示消息已成功到达 Broker。
• PUBREC、PUBREL、PUBCOMP：针对 QoS2 发布流程的一组握手报文，确保消息“恰好一次”传递（见下文QoS部分）。
• PINGREQ / PINGRESP：心跳请求与响应，用于保持连接活跃（KeepAlive机制）。
• DISCONNECT：客户端主动发送的断开连接报文，通知 Broker 将关闭连接。

MQTT 报文采用紧凑的二进制格式。每个报文都有一个固定报头（2字节），包含报文类型和标志，以及剩余长度字段。根据报文类型不同，后续还有可变报头和有效载荷。例如，CONNECT 报文的可变报头包含协议名“MQTT”、版本号、连接标志（包括用户名/密码标志、遗嘱标志、清洁会话标志等）、KeepAlive时间等，随后的有效载荷包含Client ID、用户名、密码等字段；而 PUBLISH 报文的可变报头包含主题名（Topic）和报文标识符（QoS>0时），有效载荷则是消息内容。本教程不深入每种报文的二进制结构，但了解这些概念有助于理解 MQTT 通信流程。

1.3 连接流程与保持活跃

一个典型的 MQTT 连接流程如下：

1. 客户端发起连接：客户端使用 TCP 连接到 Broker，发送 CONNECT 报文。该报文中客户端会提供 Client ID（标识符）、可选的用户名和密码用于认证，还可以指定 Clean Session 标志和 Will（遗嘱）消息等。Clean Session 标志指示是否建立新的会话（true 表示请求清除之前会话状态），Will 消息是在客户端意外断开时由Broker代为发布的消息。
2. Broker 响应：Broker 收到 CONNECT 后进行验证，返回一个 CONNACK 报文。如果连接成功，CONNACK 返回码为0，并指示是否会话存在（Session Present）。此时连接建立完成，客户端可以开始发布和订阅。
3. KeepAlive 心跳：CONNECT 报文中包含一个 KeepAlive 时间（秒）。客户端和 Broker 通过发送 PINGREQ/PINGRESP 保持心跳。如果超过1.5倍 KeepAlive 时间未收到任何数据，Broker将认为客户端掉线并断开连接（同时若设置了 Will 遗嘱消息，则发布该遗嘱）。
4. 数据传输：连接建立后，客户端可以发布 PUBLISH 消息或发送 SUBSCRIBE 订阅主题。Broker 按请求提供服务，转发消息或返回 ACK 确认等。
5. 断开连接：客户端可随时发送 DISCONNECT 报文正常断开。Broker也可在检测到超时或错误时断开连接。

KeepAlive（保活）机制确保了客户端与服务器的连接存活状态。设置适当的KeepAlive间隔有助于及时检测到网络中断或客户端故障，同时避免过于频繁地发送心跳造成不必要流量。一般物联网设备可能使用几十秒到几分钟不等的 KeepAlive。

1.4 主题与通配符

主题（Topic）是 MQTT 中对消息进行分类和路由的依据。本质上，主题是一个分层的字符串，层级之间用斜杠/分隔，例如：sensors/temperature/office。客户端订阅主题时可以使用通配符（wildcard）：

• 单层通配符 +：匹配一个层级的任意主题名。例如订阅主题 sensors/+/office，将收到主题如sensors/temperature/office、sensors/humidity/office等消息。
• 多层通配符 #：只能出现在主题过滤器的结尾，匹配包含它的位置及后续所有层级。例如订阅 sensors/office/#，将收到 sensors/office 下所有子层级主题的消息，如sensors/office/temperature, sensors/office/door/status等。

主题区分大小写，订阅时必须精确匹配主题名或使用通配符过滤。Broker 在收到发布消息时，会将消息的主题与每个订阅者的主题过滤器进行匹配（包括处理通配符），如果匹配则发送消息给该订阅者。需要注意 MQTT 的主题是无固定预定义的，每个应用可以自由定义主题命名规范。注意：MQTT 规范中主题过滤器通配符 # 必须独占层级且位于末尾，+ 只能匹配单层，不能跨越斜杠。

1.5 QoS 服务质量等级

MQTT 提供了三种消息传输的服务质量（Quality of Service, QoS）等级，以权衡传输可靠性和开销 (MQTT简介之三（4） MQTT协议QOS 服务质量等级原创 - CSDN博客)：

• QoS 0 – 至多一次：消息最多传输一次，不保证送达（类似UDP）。发送者发送后不要求确认，Broker不会重试。可能丢失消息，但效率最高。适用于对消息丢失不敏感的场景（“尽最大努力”传输）。
• QoS 1 – 至少一次：消息确保至少到达一次。发送者会等待确认（PUBACK），若未收到将在一定时间后重传，直到收到确认为止。因此可能出现重复消息（接受方需根据报文ID或其他手段去重）。适用于需要保证送达但允许偶尔重复的场景。
• QoS 2 – 恰好一次：消息确保 严格一次 送达。采用两阶段确认流程：发送方发送消息后，接收方回复 PUBREC，发送方再回复 PUBREL，接收方最后回复 PUBCOMP 完成。这一系列握手确保双方记录消息ID，从而避免重复和丢失。QoS 2 开销最大，但提供最高可靠性，适用于关键指令等不允许重复且必须送达的场景。

在 MQTT 通信中，客户端在发布消息时可以选择 QoS 等级，Broker 会按该等级确保消息投递到 Broker。本质上QoS定义的是发送方和接收方之间单跳传输的可靠性。当 Broker 将消息转发给订阅者时，会使用订阅者所请求的 QoS 等级（通常为发布时QoS和订阅QoS的较低值）进行投递。例如，发布者以 QoS 2 发出消息，而订阅者只请求 QoS 1，那么 Broker 用 QoS 1 向订阅者发送。QoS 等级越高，协议交互的报文越多，因此除非必要应尽量使用较低的 QoS 满足业务需求。

1.6 小结

以上，我们介绍了 MQTT 协议的基本概念和工作机制，包括发布/订阅模型、消息类型和连接流程、主题及通配符、以及 QoS 服务质量等级。总结来说，MQTT 以轻量高效的方式实现了客户端和Broker间的可靠消息传递，开发者可以根据应用需求选择合适的 QoS 等级和平衡可靠性与性能 (MQTT简介之三（4） MQTT协议QOS 服务质量等级原创 - CSDN博客)。理解这些协议基础，将有助于我们在接下来的章节中使用 C 语言和 Mongoose 网络库来构建 MQTT 客户端和服务器。

接下来，我们将从实践角度出发，首先搭建一个运行在 Linux 平台上的 MQTT 客户端示例。

2. 使用 Mongoose 构建 MQTT 客户端

本章我们将使用 C 语言和 Mongoose 网络库实现一个简单的 MQTT 客户端程序，运行于 Linux 平台。Mongoose 7.17 是 Cesanta 公司提供的开源嵌入式网络库，支持包括 TCP、HTTP、WebSocket、MQTT 在内的多种协议 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。Mongoose 提供事件驱动的非阻塞 API，使用单线程事件循环即可同时管理多个网络连接，非常适合在嵌入式或系统编程中使用。我们将利用 Mongoose 内置的 MQTT 支持，快速实现客户端连接到 Broker、订阅主题以及发布消息的功能。

2.1 环境准备与工程设置

首先，请确保在 Linux 环境下已安装基本的构建工具（如 GCC、Make 等）。下载 Mongoose 7.17 库源码，可以通过 Git 克隆官方仓库：

git clone https://github.com/cesanta/mongoose
cd mongoose

Mongoose 是以单个源文件（mongoose.c 搭配 mongoose.h）提供的。使用时，可以直接将这两个文件加入您的工程，或编译为静态/动态库后链接。在本教程示例中，我们直接包含头文件并链接 Mongoose 源，方便起见。

假设我们创建一个 mqtt_client.c 文件用于编写客户端代码，并确保 mongoose.c 在同一目录或者编译时正确链接。

2.2 MQTT 客户端示例概述

我们计划实现的 MQTT 客户端功能如下 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)：

1. 连接：连接到一个公共 MQTT Broker（这里选用 HiveMQ 提供的公共 Broker broker.hivemq.com，监听在 TCP 1883 端口）。
2. 订阅：连接建立后，客户端订阅主题 mg/+/test（这表示订阅 mg 开头、任意一级子主题、test 结尾的所有主题）。
3. 发布：订阅完成后，客户端向主题 mg/clnt/test 发布一条消息 "hello"。
4. 接收：由于我们订阅了 mg/+/test，发布的消息主题 mg/clnt/test 正好匹配订阅过滤器，因此客户端应当收到自己发布的这条消息（Broker 会回送给所有订阅者，包括发布者自己如果也订阅了该主题）。
5. 断开：成功接收到消息后，客户端关闭连接。本示例还会实现一个简单的自动重连逻辑：使用定时器周期性检查连接状态，若断开则重新建立连接，使上述过程重复。

下面我们给出完整的代码，并逐步讲解其中关键点。

2.3 示例代码：基础 MQTT 客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include "mongoose.h"

// 目标Broker的URL和主题设置
static const char *s_url = "mqtt://broker.hivemq.com:1883";    // 公共 HiveMQ MQTT 服务器
static const char *s_sub_topic = "mg/+/test";                 // 订阅主题过滤器
static const char *s_pub_topic = "mg/clnt/test";              // 发布主题
static int s_qos = 1;                                         // QoS 等级（这里使用 QoS1 保证至少一次送达）

static struct mg_connection *s_conn = NULL;   // 全局保存MQTT连接

// 信号标志，用于优雅退出
static int s_signo = 0;
static void signal_handler(int signo) {
    s_signo = signo;
}

// 事件回调函数，处理各类事件
static void mqtt_event_handler(struct mg_connection *c, int ev, void *ev_data, void *fn_data) {
    if (ev == MG_EV_OPEN) {
        // 连接创建成功（尚未完成TCP握手）
        MG_INFO(("Connection created"));
        // c->is_hexdumping = 1;  // 可选：启用数据十六进制调试输出
    } else if (ev == MG_EV_ERROR) {
        // 发生错误，例如DNS解析失败或TCP无法连接等
        MG_ERROR(("%p Error: %s", c->fd, (char *) ev_data));
    } else if (ev == MG_EV_CONNECT) {
        // TCP 连接已建立
        if (mg_url_is_ssl(s_url)) {
            // 如果是 SSL/TLS 连接，初始化 TLS 会话
            struct mg_tls_opts opts = {
                .ca = "ca.pem"   // 指定CA证书文件验证服务器（这里假设已准备好CA证书）
            };
            mg_tls_init(c, &opts);
        }
    } else if (ev == MG_EV_MQTT_OPEN) {
        // MQTT 协议连接建立（收到CONNACK且成功）
        MG_INFO(("MQTT connected to %s", s_url));
        // 订阅指定主题
        struct mg_str topic_sub = mg_str(s_sub_topic);
        mg_mqtt_sub(c, topic_sub, s_qos);
        MG_INFO(("Subscribed to topic %.*s", (int) topic_sub.len, topic_sub.ptr));
        // 发布消息到指定主题
        struct mg_str topic_pub = mg_str(s_pub_topic);
        struct mg_str message = mg_str("hello");
        mg_mqtt_pub(c, topic_pub, message, s_qos, false);
        MG_INFO(("Published message '%.*s' to topic %.*s",
                 (int) message.len, message.ptr,
                 (int) topic_pub.len, topic_pub.ptr));
    } else if (ev == MG_EV_MQTT_MSG) {
        // 收到订阅的消息
        struct mg_mqtt_message *mm = (struct mg_mqtt_message *) ev_data;
        MG_INFO(("Received message '%.*s' from topic %.*s",
                 (int) mm->data.len, mm->data.ptr,
                 (int) mm->topic.len, mm->topic.ptr));
        // 一旦收到我们预期的消息，关闭连接
        c->is_closing = 1;
    } else if (ev == MG_EV_CLOSE) {
        // 连接已关闭（无论正常断开还是异常断开都会触发）
        MG_INFO(("Connection closed"));
        s_conn = NULL;  // 标记当前无活动连接
    }
    (void) fn_data;
}

int main() {
    struct mg_mgr mgr;
    // 设置信号处理，用于 Ctrl+C 等中断时安全退出事件循环
    signal(SIGINT, signal_handler);
    signal(SIGTERM, signal_handler);

    mg_mgr_init(&mgr);  // 初始化事件管理器
    MG_INFO(("Connecting to MQTT broker..."));
    // 首次建立连接，使用 clean session，并可指定遗嘱消息（本例暂不设置遗嘱）
    struct mg_mqtt_opts opts;
    memset(&opts, 0, sizeof(opts));
    opts.clean = true;  // 要求清除会话（不复用旧session）
    // 建立MQTT连接
    s_conn = mg_mqtt_connect(&mgr, s_url, &opts, mqtt_event_handler, NULL);
    if (s_conn == NULL) {
        MG_ERROR(("Failed to create MQTT connection"));
        return 1;
    }

    // 进入事件循环，周期性检查连接状态，每隔1秒运行一次
    while (s_signo == 0) {
        mg_mgr_poll(&mgr, 1000);
        // 如果连接断开（s_conn 被置NULL），尝试重连
        if (s_conn == NULL) {
            MG_INFO(("Reconnecting..."));
            s_conn = mg_mqtt_connect(&mgr, s_url, &opts, mqtt_event_handler, NULL);
        }
    }

    // 收到退出信号，清理资源
    mg_mgr_free(&mgr);
    MG_INFO(("Exited cleanly"));
    return 0;
}

上述代码实现了一个基本的 MQTT 客户端，并包含详细的注释。下面对关键部分逐步解释。

2.4 代码讲解

连接参数与全局变量：首先，我们定义了目标 Broker 的 URL s_url 和发布/订阅使用的主题字符串，以及 QoS 等级。这里选择 HiveMQ 公共 Broker，无需用户名密码，使用明文1883端口。s_conn是一个全局的mg_connection指针，用于指向活动的MQTT连接（以便在其他地方判断连接状态）。

信号处理：为了能优雅地退出程序，我们设置了一个全局整数 s_signo，并注册了 signal_handler 来捕获 SIGINT/SIGTERM。当用户按下 Ctrl+C 时，会发送 SIGINT 信号，使 s_signo 非零，这将跳出事件循环。

事件回调函数 mqtt_event_handler：Mongoose 的事件模型会在各种网络事件发生时调用这个回调。我们在其中处理了几种主要事件：

• MG_EV_OPEN：表示新连接对象创建。这在调用 mg_mqtt_connect 后立即发生，表示连接结构已建立但还未真正连接完成。这里我们仅打印日志，可选地可以打开 c->is_hexdumping 来调试底层数据包。
• MG_EV_ERROR：表示连接过程中出现错误，例如解析主机名失败或无法建立 TCP 连接等。ev_data 通常包含错误描述字符串，我们打印出来并记录错误 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。
• MG_EV_CONNECT：TCP 三次握手成功建立。这时如果目标是 TLS 加密连接，我们需要初始化 TLS。代码中通过 mg_url_is_ssl(s_url) 检测 URL 协议是否为 mqtts://。如果是，我们设置 TLS 选项并调用 mg_tls_init() 来升级连接为 SSL/TLS。这里示例指定了 .ca = "ca.pem"，假定当前目录有 Broker 的 CA 根证书用于验证服务器证书。对于纯 TCP 连接，此步骤不做任何操作 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。
• MG_EV_MQTT_OPEN：表示 MQTT 协议层连接建立成功，即客户端收到了 Broker 发来的 CONNACK 且返回码为成功。此时可以认为 MQTT 会话已经建立 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。我们在这里进行订阅和发布：
  • 调用 mg_mqtt_sub(c, topic_sub, s_qos) 订阅主题。其中我们使用 mg_str 将 C 字符串包装成 mg_str 类型，mg_mqtt_sub 会发送 SUBSCRIBE 报文。 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)
  • 然后准备好待发布的消息内容 "hello"，调用 mg_mqtt_pub(c, topic_pub, message, s_qos, false) 发布该消息，参数分别为发布主题、消息内容、QoS=1、retain标志=false（不保留消息）。这样客户端将发送 PUBLISH 报文。 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)
  • 打印日志提示已订阅和已发布。
• MG_EV_MQTT_MSG：当收到订阅的主题消息时触发。通过 ev_data 可以取得 struct mg_mqtt_message *mm，其中包含了消息的主题和内容等信息 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。我们将消息内容和主题打印出来。按照我们的逻辑，我们期望收到自己发布的 "hello" 消息。一旦收到，我们就将 c->is_closing 设为1，表示告诉 Mongoose 在处理完事件后关闭该连接。
• MG_EV_CLOSE：连接关闭事件。在关闭后（无论是我们主动关闭还是远端断开），都会触发此事件。我们在此将全局 s_conn 置为 NULL，表示当前无活动连接 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。主循环会检测到 s_conn == NULL 进而尝试重连。
• 其他事件如 MG_EV_POLL（定时轮询），MG_EV_MQTT_CMD（MQTT命令报文，如PUBACK等）未在此示例中专门处理，会在需要时提到。

主函数 main：首先初始化 mg_mgr 事件管理器，然后调用 mg_mqtt_connect 尝试建立 MQTT 连接 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。mg_mqtt_connect(&mgr, s_url, &opts, mqtt_event_handler, NULL) 会返回一个 mg_connection*（失败返回NULL）。我们传入了前面准备的 opts 结构，其中设置了 opts.clean = true 来要求服务器创建一个新的清洁会话（不复用之前离线会话）。这里暂未设置 Last Will 遗嘱等其他选项，opts 其他字段默认为0即可。

进入事件循环 mg_mgr_poll(&mgr, 1000) 后，Mongoose 将不断调用事件回调处理网络事件。我们设定每次最多等待1秒，然后检查 s_conn 状态和 s_signo 信号。

主循环内包含一个简单的重连逻辑：如果检测到 s_conn == NULL（说明连接已关闭），则调用 mg_mqtt_connect 再次建立连接 (〖Mongoose笔记〗MQTT 客户端_moongoose mqtt-CSDN博客)。同时打印日志提示正在重连。这样，当第一次收到消息后我们关闭连接，循环会立即尝试重新连接 Broker，并在成功后再次订阅发布，如此每隔3秒（由我们SUB->PUB->收到->关闭的速度）会重复发送 "hello" 并接收自己的回显消息。

当用户按 Ctrl+C 使 s_signo 非零时，退出循环，调用 mg_mgr_free 清理所有连接资源，程序结束。

2.5 运行测试

编译上述代码（确保链接 mongoose.c），然后运行可执行文件。由于我们内置了日志输出（MG_INFO/MG_ERROR等，Mongoose 默认INFO日志级别），可以看到类似输出：

[I] Connecting to MQTT broker...
[I] Connection created
[I] MQTT connected to mqtt://broker.hivemq.com:1883
[I] Subscribed to topic mg/+/test
[I] Published message 'hello' to topic mg/clnt/test
[I] Received message 'hello' from topic mg/clnt/test
[I] Connection closed
[I] Reconnecting...
[I] Connection created
[I] MQTT connected to mqtt://broker.hivemq.com:1883
...

日志显示客户端成功连接并完成了订阅和发布，又收到了自己发布的消息。此循环会持续运行，间隔几秒重新发送消息，直到我们按 Ctrl+C 退出。您也可以使用其他 MQTT 客户端订阅 mg/+/test 或发布消息到 mg/clnt/test 来与本程序交互，验证其功能。

注意：使用公共 Broker 进行测试时，尽量选择独特的主题名称以免和他人冲突。同时，由于公共 Broker 可能有连接和消息频率限制，上述循环发送频率不宜过高，以免被服务拒绝。

2.6 小结

通过本章节，我们实现了一个功能完整的 MQTT 客户端示例，并熟悉了 Mongoose 库的基本用法和事件驱动模型。在代码中，我们展示了如何连接到 Broker、订阅主题、发布消息，并处理接收到的消息和各种连接事件。我们还加入了简单的自动重连机制以提高客户端的健壮性。

至此，读者应该对利用 Mongoose 开发 MQTT 客户端有了初步认识。在下一章中，我们将在此基础上增加更多特性，例如通过 TLS 建立安全连接、使用用户名/密码进行认证，以及调整 KeepAlive 等连接参数，从而构建一个更完善的 MQTT 客户端。

3. 增强 MQTT 客户端：TLS 安全、认证与保活

在实际应用中，MQTT 客户端往往需要考虑安全和可靠性配置。本章我们将扩展上一章的示例，介绍如何：

• 使用 TLS 加密与 Broker 建立安全连接，
• 使用用户名和密码进行身份认证，
• 配置 KeepAlive 保持连接活跃，
• 设置遗嘱消息（Last Will）等高级选项。

3.1 TLS 安全连接

默认的 MQTT 使用明文 TCP，在开放网络中传输敏感数据可能有风险。因此通常MQTT Broker都会开放加密端口（如8883）供客户端使用 SSL/TLS 连接。使用 Mongoose 建立 TLS 连接非常简单：将 URL 的协议由 mqtt:// 改为 mqtts://，并确保在事件处理中初始化 TLS。

在上一章代码中，我们已经演示了在 MG_EV_CONNECT 事件中调用 mg_tls_init()。实际使用时，还需要提供服务器证书的CA证书用于验证，除非使用不验证模式（不推荐）。可以通过 struct mg_tls_opts 提供 .ca 字段指定 CA 文件路径。如果 Broker 使用公共可信CA签署证书且系统已内置可信根证书，则也可不指定 CA 文件，默认进行验证。

示例：如果我们改用 EMQX 提供的公共 MQTT 服务 broker.emqx.io，其 TLS 端口为8883，并使用 Let’s Encrypt 证书（受信任的CA签发），我们可以这样修改连接：

// 修改URL为SSL协议和端口
s_url = "mqtts://broker.emqx.io:8883";
...
if (mg_url_is_ssl(s_url)) {
    struct mg_tls_opts opts;
    memset(&opts, 0, sizeof(opts));
    // 对于公认CA签名的服务器证书，可以不指定opts.ca以使用系统证书
    mg_tls_init(c, &opts);
}

这样，客户端就会通过 TLS 与 Broker 通信，防止数据在传输中被窃听或篡改。需要注意编译时要启用 Mongoose 的 TLS 支持，例如在编译命令中定义 -DMG_TLS=MG_TLS_BUILTIN 使用内置的mbedTLS实现，或者链接 OpenSSL 等库并定义相应宏 (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client)。具体启用方式可参考 Mongoose 文档和编译说明。

3.2 用户名/密码认证

MQTT 支持在 CONNECT 报文中携带用户名和密码字段，用于身份认证。很多 Broker（尤其公有服务）会要求客户端提供有效的用户名和密码才允许连接。使用 Mongoose，设置用户名密码非常直接：在 struct mg_mqtt_opts 中填充 user 和 pass 字段即可。

例如，假设我们的 Broker 需要用户名testuser和密码secret，可以在构造 opts 时加入：

struct mg_mqtt_opts opts;
memset(&opts, 0, sizeof(opts));
opts.clean = true;
opts.user = mg_str("testuser");
opts.pass = mg_str("secret");

然后将此 opts 传递给 mg_mqtt_connect。Mongoose 会在生成 CONNECT 报文时将用户名和密码字段编码进去 (Mongoose: src/mqtt.c | Fossies) (Mongoose: src/mqtt.c | Fossies)。服务端收到后会校验凭证，通过则返回CONNACK，否则通常会以非0返回码拒绝连接。

需要注意，用户名和密码都会明文包含在 CONNECT 报文中，因此务必在 TLS 加密连接下使用，否则凭证可能被截获。在 TLS 连接下，这些信息会在加密通道中传输，较为安全。

3.3 KeepAlive 保持连接

KeepAlive 时间在 CONNECT 时由客户端指定，Broker 据此判断心跳。如果客户端在一个 KeepAlive 间隔内没有发送任何消息，Broker 应该期望收到一个 PINGREQ，否则将在1.5倍间隔后断开连接。Mongoose 默认会根据我们传入的 opts.keepalive 来设置该值。若不设置，库中默认KeepAlive可能为60秒（MQTT规范允许0表示不保持活跃但通常不建议）。

我们可以通过设置 opts.keepalive 来调整。例如：

opts.keepalive = 30;  // 请求30秒的KeepAlive心跳间隔

Broker 收到后会将此作为双方约定的保活时间。Mongoose 当前并不会自动发送心跳包，需要我们自行在应用层定期发送。最简单的方法是在事件循环中定期调用 mg_mqtt_ping(c)（发送PINGREQ）。或者如上一章，我们其实在不断重新发送消息，也可起到保活作用。

如果需要一个专门的心跳，可以使用 Mongoose 的定时器功能，定期执行：

mg_mqtt_ping(c);

从而在无消息时也保持连接。这通常在应用层实现即可，因为只要我们的客户端定期发布或订阅消息，已有的数据传输也能满足保活。重要的是合理设置KeepAlive：过短会造成频繁心跳增加流量，过长则掉线检测不及时。视具体网络状况和应用要求来配置。

3.4 遗嘱消息（Last Will）

MQTT 遗嘱消息是在客户端异常掉线时，由Broker代为发布的消息。我们可以在 CONNECT 时指定遗嘱主题、遗嘱消息内容、遗嘱QoS和retain标志。Mongoose 支持设置这些，通过 mg_mqtt_opts 里的相应字段。

例如，要在断线时通知其它订阅者“我掉线了”，可以设置：

opts.will_topic = mg_str("clients/status");
opts.will_message = mg_str("client1 offline");
opts.will_qos = 1;
opts.will_retain = false;

这样，如果客户端未正常DISCONNECT就断开（例如程序崩溃或网络断开超过KeepAlive），Broker 会替客户端发布消息 "client1 offline" 到主题 clients/status，QoS1，非保留。其他订阅了该主题的客户端就能收到此通知。

在上一章的代码中，我们演示了 opts.clean = true 开新会话。如果想利用**持久会话（Persistent Session）**存储QoS>0离线消息，可以将 clean 置 false。这样，断线重连后Broker会将离线期间积存的消息（QoS1/2）发送给客户端。这需要Broker支持并启用持久会话。

3.5 综合示例：安全连接和认证

现在，我们将结合以上内容，对第2章的代码进行扩展，展示如何修改以加入 TLS 和用户名密码。假设我们有一个Broker地址 mqtts://mqtt.example.com:8883，要求用户名密码登录，我们将在代码中体现这些更改：

static const char *s_url = "mqtts://mqtt.example.com:8883";
...
int main(void) {
    ...
    struct mg_mqtt_opts opts;
    memset(&opts, 0, sizeof(opts));
    opts.clean = true;
    opts.keepalive = 45;  // 45秒保活
    opts.user = mg_str("testuser");
    opts.pass = mg_str("secret");
    opts.will_topic = mg_str("clients/status");
    opts.will_message = mg_str("client offline");
    opts.will_qos = 1;
    opts.will_retain = false;
    s_conn = mg_mqtt_connect(&mgr, s_url, &opts, mqtt_event_handler, NULL);
    ...
}

事件处理部分，在 MG_EV_CONNECT 中我们之前已处理 TLS 初始化，这里需确保提供正确的 CA 证书。如果 mqtt.example.com 使用受信任证书且系统有相应CA，则可不设置 opts.ca；否则应将 Broker 提供的 CA 链文件路径赋给 opts.ca。例如：

if (mg_url_is_ssl(s_url)) {
    struct mg_tls_opts tls_opts = {
        .ca = "example_ca.pem"
    };
    mg_tls_init(c, &tls_opts);
}

这样，我们的客户端将在建立TLS连接后使用用户名密码登录，KeepAlive设置为45秒，并在异常断线时让Broker发送遗嘱消息。

3.6 小结

通过本章，我们学会了如何加强 MQTT 客户端的安全和可靠性配置，包括使用 TLS 加密连接来防窃听、利用用户名/密码进行身份认证、设置合理的 KeepAlive 心跳维持连接，以及配置遗嘱消息通知离线状态。这些特性往往是实际项目中必须考虑的。

完成这些增强后，我们的 MQTT 客户端已经相当健壮。接下来，我们将讨论 MQTT 消息在不同 QoS 等级下交互时，客户端需要如何处理各种确认事件，确保消息按预期的服务质量传递。

4. 处理 QoS 等级的消息交互

在 MQTT 协议中，不同的 QoS 等级意味着不同的消息确认机制。客户端在发送或接收 QoS1、QoS2 消息时，需要处理相应的确认报文（ACK）以完成完整的消息交互流程。虽然 Mongoose 帮助我们封装了大部分 MQTT 协议，但作为开发者，了解并正确处理这些交互仍然很重要。

本章将讲解如何在应用层处理 QoS0、QoS1、QoS2 级别消息的发送和接收确认。

4.1 QoS 0 —— 至多一次，无确认

发送方：对于 QoS0 消息，调用 mg_mqtt_pub 发送后即完毕。MQTT 不要求任何确认，Mongoose 会在调用后将消息加入发送缓冲，一旦通过TCP发送出去即认为完成。应用层无需特别处理 ACK。

接收方：Broker 或订阅客户端收到 QoS0 的 PUBLISH 后，直接交付应用处理（MG_EV_MQTT_MSG 事件)。因为没有后续确认，应用处理完即可，不需要回复任何 ACK 报文。对开发者来说，在事件回调中拿到 QoS0 消息和 QoS1、QoS2 并无差别，只是 QoS 字段会标记为0。

示例：在我们的客户端代码中，我们发布和订阅使用的是QoS1。但如果改为 QoS0，依然可以用 mg_mqtt_pub(c, topic, data, 0, false)，发布后不会有 MG_EV_MQTT_CMD(PUBACK) 事件，也不会自动重发，发送一次即结束。在 MG_EV_MQTT_MSG 中 mm->qos 会是0。

4.2 QoS 1 —— 至少一次，处理 PUBACK

发送方（发布者）：QoS1 消息需要确保至少送达一次。Mongoose 的 mg_mqtt_pub 在发送 QoS1 消息时，会自动为消息分配一个报文标识符 ID，并在内部等待 Broker 的 PUBACK 报文。当 Broker 返回 PUBACK，Mongoose 触发 MG_EV_MQTT_CMD 事件，其 ev_data 中的 struct mg_mqtt_message * 会有 mm->cmd == MQTT_CMD_PUBACK，表示我们发布的某个消息得到了ACK。一般情况下，Mongoose 已经完成了QoS1所需的基本工作：如果没有收到PUBACK，它不会自动重发（因为TCP本身已保证尽力送达，大多数情况消息能到Broker）。但 如果需要在应用层实现重传，可以利用事件检测ACK超时。

例如，我们可以这样做：在发布QoS1消息后，启动一个定时器计时，如果在预期时间内未收到 PUBACK（即应用未捕获 MG_EV_MQTT_CMD/PUBACK），则重新发送消息。每次捕获PUBACK则停止重传定时器。下面是一个示意逻辑（伪代码） (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client) (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client)：

bool acked = false;
int retries = 3;
uint16_t pub_id = mg_mqtt_pub(c, topic_str, data_str, 1, false);
start_timer(timeout=5s);
while (!acked && retries > 0) {
    // 等待事件...
    // 在事件回调中:
    if (ev == MG_EV_MQTT_CMD) {
        struct mg_mqtt_message *mm = ev_data;
        if (mm->cmd == MQTT_CMD_PUBACK && mm->id == pub_id) {
            acked = true;
            // 停止定时器
        }
    }
    // 如果定时器触发且 acked 仍为 false:
    if (!acked) {
        pub_id = mg_mqtt_pub(c, topic_str, data_str, 1, false);  // 重发
        retries--;
        reset_timer();
    }
}

上面逻辑意思是：发布消息后等待PUBACK，如果超时或丢失则重发，最多重试3次。当然，在大多数情况下第一次就会成功。这个过程在QoS1语义下可以保证Broker最终收到至少一份消息，但Broker可能因为重发而收到多份，需要通过消息ID去重。不过 MQTT 规范并不要求发布者去处理重复ACK，只要发布者收到一次PUBACK即可认为完成。

接收方（订阅者）：当客户端作为订阅者收到QoS1的消息时，按照协议必须回复PUBACK给发送方（这里发送方通常是Broker）。Mongoose 已帮我们处理了这一点：当 Mongoose 收到QoS1的PUBLISH，会自动发送PUBACK，无需我们手动干预。因此在 MG_EV_MQTT_MSG 中我们直接处理消息内容即可，不必显式发送ACK。

4.3 QoS 2 —— 恰好一次，处理四步握手

QoS2 的完整流程较复杂，需要双方进行两个往返（PUBREC/PUBREL和PUBCOMP）。Mongoose 尽可能自动化了其中步骤，但仍需要应用层配合确保严格不重复。

发送方：客户端发布QoS2消息时，mg_mqtt_pub 会发送 PUBLISH（QoS=2，带报文ID）。Broker 收到后按协议应回复 PUBREC。Mongoose 收到PUBREC后，会自动发送 PUBREL，然后等待 Broker 的 PUBCOMP。这个过程中，Mongoose 会触发事件：

• 收到PUBREC时，会触发 MG_EV_MQTT_CMD，其中 mm->cmd == MQTT_CMD_PUBREC。应用可监听该事件以确认Broker已收到消息的一份拷贝 (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client)。在 Mongoose 内部，它已发送了PUBREL。
• 收到PUBCOMP时，触发 MG_EV_MQTT_CMD，其中 mm->cmd == MQTT_CMD_PUBCOMP，表示QoS2流程彻底完成 (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client)。应用层看到PUBCOMP则可以确认消息“恰好一次”送达了。

类似QoS1，我们也可以做超时重传：如果发布QoS2消息后迟迟未收到PUBREC，可以重发PUBLISH；收到了PUBREC但未收到PUBCOMP，可以重发PUBREL。但这些细节往往由MQTT库管理。Mongoose 当前自动发送PUBREL，但不会自动重试，需要用户监控是否收到PUBCOMP来决定是否重发 PUBREL (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client) (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client)。

接收方：当客户端订阅者收到QoS2的PUBLISH时，协议要求它回复PUBREC，等待发送方的PUBREL，然后再回复PUBCOMP确认完成交互。Mongoose 在接收QoS2 PUBLISH 时已经自动发送了PUBREC给对方，并将收到的消息通过 MG_EV_MQTT_MSG 交给应用处理 (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Client)。这时应用需要注意避免重复处理：因为发送方可能没有收到PUBREC而重发PUBLISH，Broker也可能在网络抖动时重复前一步。因此应用层应检查 PUBLISH 报文的重复标志（MQTT Fixed header里的 DUP 标志）或者报文ID，判断该消息是否已处理过。如果是重复消息，应丢弃（因为内容相同），但仍让协议走完。

当发送方后续发送PUBREL过来时，Mongoose 自动回复PUBCOMP。因此，对于订阅者而言，QoS2处理关键在于防止重复消费消息。在 Mongoose 里，可以在 MG_EV_MQTT_MSG 事件中，通过 mm->dup 或维护一个已处理ID列表来判断。如果短时间内收到相同ID的QoS2消息且 DUP=true，则忽略其内容。

小结来说，QoS2保证严格一次，但需要应用在收到消息时做幂等处理，MQTT库帮助我们完成了协议回复：

• 发布者需关注 PUBREC 和 PUBCOMP 事件，必要时重试确保最终收到 PUBCOMP。
• 订阅者需处理好重复的 PUBLISH（MQTT规范要求即使重复收到也只交付一次）。

4.4 在 Mongoose 中的实现

Mongoose 将 QoS确认报文的到来统一以事件 MG_EV_MQTT_CMD 通知。我们可以在事件回调中增加相应分支，例如：

else if (ev == MG_EV_MQTT_CMD) {
    struct mg_mqtt_message *mm = (struct mg_mqtt_message *) ev_data;
    switch (mm->cmd) {
        case MQTT_CMD_PUBACK:
            printf("QoS1 PUBACK received for message ID %u\n", mm->id);
            break;
        case MQTT_CMD_PUBREC:
            printf("QoS2 PUBREC received for message ID %u\n", mm->id);
            // Mongoose已自动发PUBREL
            break;
        case MQTT_CMD_PUBCOMP:
            printf("QoS2 PUBCOMP received for message ID %u (complete)\n", mm->id);
            break;
        // 也可以处理 SUBACK, PINGRESP 等其他命令
    }
}

这样，我们就能捕获这些ACK并用于日志或重传逻辑。如果希望实现更可靠的发送，可在发送时记录返回的 message ID（mg_mqtt_pub 返回值为 QoS>0 的消息ID (Mongoose: src/mqtt.c | Fossies)），然后在 MG_EV_MQTT_CMD 中匹配 mm->id 确认对应消息的ACK。

对于订阅者侧，假如我们实现一个MQTT Broker（下一章会做），也需要在服务器端处理 QoS1/2。这在Broker逻辑中更复杂，因为Broker既是接收方又要成为发送方转发，所以必须对每个客户端维持状态，确保每个消息对每个目标客户端按其订阅QoS完成确认。这超出了一个简单教程的范围，我们在下一章实现的简易Broker不会全面支持QoS2持久会话，仅做基本转发示范。

4.5 小结

在本章，我们深入讨论了 QoS 各级别的消息收发确认流程。对于QoS0，开发者几乎无需关心确认；QoS1 需要处理 PUBACK，可考虑重传机制；QoS2 则涉及PUBREC/PUBREL/PUBCOMP的完整握手，需要注意避免重复处理消息。Mongoose 简化了许多底层细节，我们更多的是在需要时监控事件来增强可靠性。

对于大多数应用，QoS1 已足够可靠且实现简单。而 QoS2 因实现复杂、开销大，一般仅在必要时才使用。如果使用QoS2，也建议充分测试各种异常网络情况下的行为，确保应用逻辑正确。

理解了客户端侧 QoS 处理，我们已经掌握了 MQTT 协议的大部分要点。最后，我们将挑战构建一个简易的 MQTT Broker 服务端，以更深入理解 MQTT 报文在服务器端的流程。

5. 构建简单 MQTT Broker（服务器端）示例

通常，生产环境中我们会使用现成的 MQTT 服务器（如 Mosquitto、EMQX、HiveMQ 等）来充当Broker。但是为了加深理解，我们可以使用 Mongoose 库自行实现一个精简的 MQTT Broker。这个 Broker 将能够：

• 接受客户端 CONNECT 连接请求（不校验用户名密码，仅简单接受所有连接），
• 处理客户端的 SUBSCRIBE 请求，记录订阅关系，
• 处理 PUBLISH 请求，将消息转发给匹配订阅的客户端，
• 维护基本的客户端会话状态，在客户端断开时清除其订阅。

我们实现的将是 MQTT 3.1.1 协议的子集，不支持持久会话、遗嘱、甚至不处理UNSUBSCRIBE等复杂操作，但足以演示Broker的核心机制 (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Server)。

5.1 服务器实现概述

使用 Mongoose 实现服务器的关键在于监听端口并处理 MQTT 命令事件。Mongoose 提供了 mg_mqtt_listen 函数来方便地创建一个 MQTT 监听服务器。我们需要提供一个事件处理函数，类似客户端，但这次事件处理的主体是服务器监听到的各个客户端连接。

我们的Broker需要维护一个全局订阅列表，记录哪些客户端订阅了哪些主题以及QoS。为了简单，我们定义一个结构体：

struct sub {
    struct sub *next;
    struct mg_connection *c;  // 订阅客户端的连接
    struct mg_str topic;      // 订阅的主题过滤器（支持通配符）
    uint8_t qos;              // 订阅使用的QoS
};
static struct sub *s_subs = NULL;  // 全局链表头

我们将每个订阅记录为链表节点 sub 并链接到全局 s_subs。当有新的订阅时，添加节点；当客户端断开时，删除该客户端相关的节点。

Broker 的事件处理函数需要处理的 MQTT命令主要有：

• MQTT_CMD_CONNECT：客户端请求连接。我们应检查协议版本，并发送 CONNACK。我们的实现对用户名密码不校验、clientID不做特殊处理，只要协议版本是3.1.1就接受。
• MQTT_CMD_SUBSCRIBE：客户端发来订阅请求。一个 SUBSCRIBE 报文可能包含多个主题订阅，我们需要逐个解析。为每个订阅创建 sub 记录加入列表，并回复 SUBACK 确认订阅成功（返回每个订阅的QoS，简单起见我们就回送客户端要求的QoS）。
• MQTT_CMD_PUBLISH：客户端发布消息。Broker收到后，需要将消息转发给所有匹配其主题的订阅。我们要遍历 s_subs 列表，找出topic匹配的订阅者，然后调用 Mongoose 函数将消息发送给这些客户端。匹配时要考虑通配符。Mongoose 提供了 mg_globmatch 帮助我们进行类似shell通配符的匹配 (Mongoose :: Tutorials :: MQTT Server)。在使用前，我们可以将订阅记录的主题过滤器中的 '+' 通配符转换为 '*' 以利用 mg_globmatch（因为 * 在 mg_globmatch 中表示任意字符串，包括跨层级）。
• MQTT_CMD_PINGREQ：客户端发送心跳请求，我们需要回复 PINGRESP。
• MG_EV_CLOSE（连接关闭事件，不是 MQTT命令）：当客户端断开时，移除它的所有订阅记录，避免内存泄漏和无效转发。

通过处理上述几种情况，我们就能实现一个基本可用的Broker。

5.2 服务器代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include "mongoose.h"

static const char *s_listen_addr = "mqtt://0.0.0.0:1883";  // 监听地址和端口

// 订阅记录的链表节点结构
struct sub {
    struct sub *next;
    struct mg_connection *c;   // 订阅客户端连接
    struct mg_str topic;       // 订阅的主题过滤器（可能含通配符）
    uint8_t qos;
};
static struct sub *s_subs = NULL;  // 订阅链表头

// 信号处理，用于优雅退出服务器
static int s_signo = 0;
static void signal_handler(int signo) {
    s_signo = signo;
}

// 辅助函数：解析 SUBSCRIBE 报文中的下一个主题过滤器和QoS
// MQTT SUBSCRIBE 报文格式: [Packet ID(2 bytes)] + 若干个 [Topic Length(2 bytes) + Topic Filter + Requested QoS(1 byte)]
// 参数msg为Mongoose解析出的MQTT消息结构，pos为当前解析偏移，返回下一个偏移（0表示解析完毕或出错）
static size_t parse_next_sub_topic(struct mg_mqtt_message *msg, struct mg_str *topic, uint8_t *qos, size_t pos) {
    // msg->dgram 包含原始报文数据，长度在 msg->dgram.len
    if (pos >= msg->dgram.len) return 0;
    const uint8_t *buf = (uint8_t *) msg->dgram.ptr + pos;
    // 读取主题长度
    if (pos + 2 > msg->dgram.len) return 0;
    size_t topic_len = ((size_t)buf[0] << 8) | buf[1];
    if (pos + 2 + topic_len + 1 > msg->dgram.len) return 0;  // 检查数据是否完整
    topic->len = topic_len;
    topic->ptr = (char *) buf + 2;
    // 读取QoS字节
    if (qos) *qos = buf[2 + topic_len];
    // 返回下一个主题项的起始偏移
    return pos + 2 + topic_len + 1;
}

// 事件处理函数（Broker端）
static void mqtt_server_fn(struct mg_connection *c, int ev, void *ev_data, void *fn_data) {
    if (ev == MG_EV_MQTT_CMD) {
        struct mg_mqtt_message *mm = (struct mg_mqtt_message *) ev_data;
        // 根据 MQTT 控制报文类型进行处理
        switch (mm->cmd) {
        case MQTT_CMD_CONNECT: {
            // 客户端请求连接
            if (mm->dgram.len < 9 || (uint8_t) mm->dgram.ptr[8] != 4) {
                // 报文长度太短 或 协议级别不是4（MQTT3.1.1=4）
                mg_error(c, "Malformed CONNECT or unsupported protocol");
            } else {
                // 发送 CONNACK 确认连接 (固定2字节: 会话Present标志=0, 返回码=0)
                uint8_t response[2] = {0x00, 0x00};
                mg_mqtt_send_header(c, MQTT_CMD_CONNACK, 0, sizeof(response));
                mg_send(c, response, sizeof(response));
            }
            break;
        }
        case MQTT_CMD_SUBSCRIBE: {
            // 客户端订阅主题
            // SUBSCRIBE 报文固定报头后前两个字节是报文标识符(Message ID)
            size_t pos = 2;  // 跳过报文ID开始解析主题列表
            uint8_t req_qos;
            struct mg_str topic;
            uint8_t suback_qos[10];  // 最多支持10个主题的回执（仅示例，实际应动态处理）
            int num_topics = 0;
            // 逐个解析所有订阅主题
            while ((pos = parse_next_sub_topic(mm, &topic, &req_qos, pos)) > 0 && num_topics < 10) {
                // 为每个主题分配订阅记录
                struct sub *sub = (struct sub *) calloc(1, sizeof(*sub));
                sub->c = c;
                sub->topic = mg_strdup(topic);  // 拷贝主题字符串存储
                sub->qos = req_qos & 0x03;      // 仅保留QoS低两位（有效值0,1,2）
                // 将订阅加入链表头
                sub->next = s_subs;
                s_subs = sub;
                // 将通配符'+'替换为'*'，方便后续用mg_globmatch匹配单层
                for (size_t i = 0; i < sub->topic.len; i++) {
                    if (sub->topic.ptr[i] == '+') ((char *) sub->topic.ptr)[i] = '*';
                }
                suback_qos[num_topics++] = sub->qos;  // 回应的QoS（这里直接同意请求的QoS）
                MG_INFO(("Client %p subscribed to %.*s (QoS %d)", c->fd,
                         (int) sub->topic.len, sub->topic.ptr, sub->qos));
            }
            // 发送 SUBACK 报文: 包含原订阅报文的Message ID以及每个订阅主题的返回QoS
            if (num_topics > 0) {
                mg_mqtt_send_header(c, MQTT_CMD_SUBACK, 0, 2 + num_topics);
                // 原报文Message ID可以通过 mm->id 获得（Mongoose 已解析出）
                uint16_t id_n = mg_htons(mm->id);
                mg_send(c, &id_n, 2);
                mg_send(c, suback_qos, num_topics);
            }
            break;
        }
        case MQTT_CMD_PUBLISH: {
            // 客户端发布消息
            // 从 mm 中获取主题和消息
            struct mg_str topic = mm->topic;
            struct mg_str data = mm->data;
            MG_INFO(("Received PUBLISH on %.*s: %.*s",
                     (int) topic.len, topic.ptr,
                     (int) data.len, data.ptr));
            // 将消息转发给所有匹配订阅的客户端
            for (struct sub *sub = s_subs; sub != NULL; sub = sub->next) {
                // 使用 mg_globmatch 进行通配符匹配；mg_globmatch(pattern, pat_len, str, str_len)
                if (mg_globmatch(sub->topic.ptr, sub->topic.len, topic.ptr, topic.len)) {
                    // 将消息发送给订阅者sub->c
                    mg_mqtt_pub(sub->c, topic, data, sub->qos < mm->qos ? sub->qos : mm->qos, false);
                    // 这里使用发布者QoS和订阅者QoS的较小值作为实际发送QoS
                    MG_INFO(("Forwarded message to %p (subscribed %.*s)",
                             sub->c->fd, (int) sub->topic.len, sub->topic.ptr));
                }
            }
            // 如果原消息QoS是1或2，按协议需回复ACK:
            if (mm->qos == 1) {
                // QoS1，回复PUBACK
                mg_mqtt_send_header(c, MQTT_CMD_PUBACK, 0, 2);
                uint16_t id_n = mg_htons(mm->id);
                mg_send(c, &id_n, 2);
            } else if (mm->qos == 2) {
                // QoS2，回复PUBREC，等待客户端后续PUBREL，在Mongoose中，会有MG_EV_MQTT_CMD触发PUBREL事件，再处理
                // 但为简单，此处直接回复PUBREC并立刻当做完成（完全实现QoS2较复杂）
                mg_mqtt_send_header(c, MQTT_CMD_PUBREC, 0, 2);
                uint16_t id_n = mg_htons(mm->id);
                mg_send(c, &id_n, 2);
                // 注意：完整实现还需等待PUBREL再PUBCOMP，这里简化处理
            }
            break;
        }
        case MQTT_CMD_PINGREQ: {
            // 心跳请求，回复 PINGRESP
            MG_INFO(("PINGREQ from %p, send PINGRESP", c->fd));
            mg_mqtt_send_header(c, MQTT_CMD_PINGRESP, 0, 0);
            break;
        }
        default:
            // 其他命令未实现，例如 UNSUBSCRIBE，直接忽略或响应不支持
            MG_WARN(("Unhandled MQTT command %d from %p", mm->cmd, c->fd));
        } // switch(mm->cmd)
    } else if (ev == MG_EV_CLOSE) {
        // 某个客户端断开连接，清除其所有订阅
        struct sub **pp = &s_subs;
        while (*pp) {
            if ((*pp)->c == c) {
                struct sub *sub_to_remove = *pp;
                MG_INFO(("Client %p disconnected, remove subscription %.*s", c->fd,
                         (int) sub_to_remove->topic.len, sub_to_remove->topic.ptr));
                // 从链表移除该节点
                *pp = sub_to_remove->next;
                mg_strfree(&sub_to_remove->topic);
                free(sub_to_remove);
                // 不更新pp，继续检查下一个（因为删除后 *pp 已指向下一个节点）
                continue;
            }
            pp = &(*pp)->next;
        }
    }
    (void) fn_data;
}

int main(void) {
    struct mg_mgr mgr;
    signal(SIGINT, signal_handler);
    signal(SIGTERM, signal_handler);
    mg_mgr_init(&mgr);
    // 启动MQTT监听服务器
    if (mg_mqtt_listen(&mgr, s_listen_addr, mqtt_server_fn, NULL) == NULL) {
        fprintf(stderr, "Error starting MQTT broker on %s\n", s_listen_addr);
        return 1;
    }
    MG_INFO(("MQTT broker started on %s", s_listen_addr));
    // 进入事件循环
    while (s_signo == 0) {
        mg_mgr_poll(&mgr, 1000);
    }
    // 清理
    mg_mgr_free(&mgr);
    return 0;
}

让我们解释一下服务器代码的重要部分：

• 监听初始化：mg_mqtt_listen(&mgr, "mqtt://0.0.0.0:1883", mqtt_server_fn, NULL) 在本地0.0.0.0地址的1883端口启动监听 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。成功时返回监听连接对象，我们不太需要保留它；失败时返回NULL，我们做了错误检查。
• CONNECT 处理：在 MQTT_CMD_CONNECT 分支，我们简单检查了协议版本是否为4（表示MQTT3.1.1）。如果不是，则调用 mg_error(c, ...) 关闭连接 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。如果正确，发送一个固定的CONNACK应答（字节0x00,0x00表示Session Present=0,返回码0，接受连接） (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。
• SUBSCRIBE 处理：使用 parse_next_sub_topic 函数解析订阅载荷。这个函数根据MQTT协议解析每个主题过滤器字符串和后面的QoS值，返回下一个起点索引。我们循环调用它，将解析出的主题和QoS保存在新分配的 sub 节点中，并加入全局链表 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。为匹配方便，将主题字符串中 '+' 替换为 '*' (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。对于#通配符我们简化处理：mg_globmatch 用 * 也能匹配多层（因为 * 会匹配包括 / 的任意字符序列），所以这里不特地处理 #，不过严格来说 #应该也转换或在匹配时特殊对待。简化起见，# 我们当作普通字符对待，mg_globmatch 的 * 实际可以涵盖类似的效果。 解析完所有主题后，我们构造 SUBACK 报文：调用 mg_mqtt_send_header 发送固定报头，然后发送原报文ID和每个主题的确认QoS (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。
• PUBLISH 处理：Broker收到了客户端发布的消息。我们打印日志 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)后，遍历订阅链表，对每个订阅检查其 topic filter 是否匹配发布的 topic (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。利用 mg_globmatch(sub->topic.ptr, sub->topic.len, topic.ptr, topic.len) 进行匹配，如果匹配成功，就调用 mg_mqtt_pub(sub->c, topic, data, qos, false) 转发消息给该订阅者客户端 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)。这里QoS选用了 sub->qos < mm->qos ? sub->qos : mm->qos（发布QoS和订阅QoS的较小值），符合MQTT规范：发送时不得提升原消息的QoS，可以降低。因此，如果发布者发的是QoS2，但订阅者只要求QoS1，我们用QoS1推送。 最后，根据原消息QoS，Broker要给发布客户端回复相应ACK：
  • 如果 mm->qos == 1，发送 PUBACK。 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)
  • 如果 mm->qos == 2，发送 PUBREC。 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)由于我们没有完整实现QoS2流程，暂未处理后续 PUBREL->PUBCOMP，但至少PUBREC告诉发送方“我收到了”。完善的实现需在收到PUBREL时（会以MG_EV_MQTT_CMD事件出现 mm->cmd==PUBREL）发送PUBCOMP，这里出于简化就不深入了。
• PINGREQ 处理：收到心跳请求即刻回复 PINGRESP。 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)
• 连接关闭：遍历链表删除该连接的所有订阅。 (〖Mongoose笔记〗MQTT 服务器_mongoose mqtt-CSDN博客)这里采用双指针技巧安全地在单链表中删除多个节点。我们也释放了 mg_strdup 分配的字符串（用 mg_strfree）。这样保证客户端断线后不会遗留无效订阅。

5.3 运行与测试 Broker

编译运行上述 Broker 程序，会在本地启动一个MQTT服务监听1883端口。可以用 Mosquitto 客户端或 MQTTX 等工具来测试：

• 打开一个终端，运行 mosquitto_sub -v -h 127.0.0.1 -p 1883 -t 'test/topic' -t 'foo/#' 来订阅主题（例如订阅具体的test/topic以及通配符订阅foo/#）。
• 再打开另一个终端，尝试发布消息：
  • mosquitto_pub -h 127.0.0.1 -p 1883 -t 'test/topic' -m 'hello'
    订阅端应收到该消息（因为订阅了test/topic）。
  • mosquitto_pub -h 127.0.0.1 -p 1883 -t 'foo/bar/baz' -m 'hey'
    订阅端应收到（匹配foo/#订阅）。
  • 尝试发布一个无人订阅的主题，订阅端不会显示，Broker日志可看到收到但未转发。
• 也可以尝试多个订阅客户端验证Broker会将消息转发给所有订阅者。

我们的简易Broker不实现认证，因此任何人都可连接订阅。同时它也不支持保留消息、遗嘱、持久会话等高级特性。但通过这个过程，我们已经演练了Broker需要完成的核心操作：CONNECT/CONNACK、SUBSCRIBE/SUBACK、PUBLISH路由、以及客户端断开处理。

5.4 小结

本章节我们使用 Mongoose 快速构建了一个精简的 MQTT Broker，理解了服务器端处理 MQTT 报文的基本流程。在实现过程中，我们管理了客户端订阅列表，并利用 Mongoose 提供的工具函数实现了主题匹配和消息转发。这个Broker能够让多个MQTT客户端连接并交换消息，证明了我们对MQTT协议机制的掌握。

需要指出，这只是一个教学示例，实际可用的Broker需要更多功能和健壮性，例如：

• 完整处理 QoS2 的四步握手和消息重传，
• 支持客户端 Clean Session=false 时保存离线消息，
• 验证用户名/密码，访问控制，
• 更高效的订阅管理结构（如基于Trie的主题树），
• 处理 UNSUBSCRIBE，以及遗嘱消息发布等。

即便如此，通过亲手实现这些基本功能，读者应已对 MQTT 工作原理有了深刻理解，也体会到 Mongoose 库在网络编程上的强大之处。

6. 总结

在本教程中，我们从 MQTT 协议基础开始，逐步实践了 MQTT 客户端和服务器端的实现过程。首先，我们介绍了 MQTT 的发布/订阅模型、主题和 QoS 等关键概念 (MQTT简介之三（4） MQTT协议QOS 服务质量等级原创 - CSDN博客)。然后，我们使用 C 语言结合 Mongoose 7.17 库构建了一个基本 MQTT 客户端，演示了如何连接 Broker、订阅/发布消息，并通过事件回调处理 MQTT 通信。我们进一步增强了客户端，加入 TLS 安全连接、用户名密码认证、KeepAlive 和遗嘱消息等特性，提高了客户端的安全性和可靠性。

随后，我们讨论了 QoS0、QoS1、QoS2 消息交互中需要处理的确认报文机制，说明了如何借助 Mongoose 的事件处理对这些 QoS 做支持，保证消息按期望的服务质量传递。最后，我们实现了一个简单的 MQTT Broker 示例，从服务器角度完整走了一遍 CONNECT、SUBSCRIBE、PUBLISH、PING 等流程，加深了对 MQTT 协议运作的理解。

通过这些连续的章节内容，相信读者已经全面了解了 MQTT 协议的基础知识和使用 Mongoose 进行 MQTT 开发的实践技巧。读者现在应该能够：

• 理解 MQTT 协议的工作流程、消息格式以及 QoS 机制 (MQTT 协议快速入门 2025：基础知识和实用教程 | EMQ) (MQTT简介之三（4） MQTT协议QOS 服务质量等级原创 - CSDN博客)，
• 使用 Mongoose C 库编写 MQTT 客户端程序，连接到 Broker 进行消息收发，
• 配置客户端的 TLS、认证和 KeepAlive 等参数来满足实际应用需求，
• 处理不同 QoS 等级下的消息确认，确保通信可靠，
• 明白一个MQTT Broker在处理客户端请求和消息转发时所需执行的操作，并用代码实现了简化版本的Broker。

如果进一步学习，建议读者参考 MQTT 正式规范以及 Mongoose 官方文档，尝试实现更多高级功能。例如，实现持久会话，处理断线重连时未完成的QoS2传输，或者给Broker添加权限控制等。同时，可以尝试将此基础客户端集成到实际项目，比如制作一个传感器数据上传的客户端，或基于此Broker扩展出一个专用的消息服务器。

通过本教程的学习，您已经从底层协议到实际编码全方位掌握了 MQTT，在未来的物联网开发中，相信这些知识将大有裨益。祝您在 MQTT 与 C 编程之旅中不断收获新的成果！

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