MQTT协议理解---报文格式

1.MQTT 是什么

MQTT 的全称为 Message Queue Telemetry Transport，是在 1999 年，由 IBM 的 Andy Stanford-Clark 和 Arcom 的 Arlen Nipper 为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT 协议在设计之初就包含了以下一些特点：

1. 实现简单
2. 提供数据传输的 QoS
3. 轻量、占用带宽低
4. 可传输任意类型的数据
5. 可保持的会话（session）

MQTT 协议是什么？简单地来说 MQTT 协议有以下特性：

• 基于 TCP 协议的应用层协议；
• 采用 C/S 架构；
• 使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接受方解耦；
• 提供 3 种消息的 QoS（Quality of Service）: 至多一次，最少一次，只有一次；

收发消息都MQTT 跟传统的消息队列相比，有以下一些区别：

1. 在传统消息队列中，在发送消息之前，必须先创建相应的队列；在 MQTT 中，不需要预先创建要发布的主题（可订阅的 Topic）；
2. 在传统消息队列中，未被消费的消息总是会被保存在某个队列中，直到有一个消费者将其消费；在 MQTT 中，如果发布一个没有被任何客户端订阅的消息，这个消息将被直接扔掉；
3. 在传统消息队列中，一个消息只能被一个客户端获取，在 MQTT 中，一个消息可以被多个订阅者获取，MQTT 协议也不支持指定消息被单一的客户端获取。

• 是异步的，发送方不需要等待接收方应答。

2.MQTT报文格式

2.1 MQTT控制报文的结构 Structure of an MQTT Control Packet

MQTT协议通过交换预定义的MQTT控制报文来通信。这一节描述这些报文的格式。

MQTT控制报文由三部分组成，按照 图例 2.1 –MQTT控制报文的结构 描述的顺序：

图例 2.1 –MQTT控制报文的结构

2.2 固定报头 Fixed header

每个MQTT控制报文都包含一个固定报头。图例 2.2 -固定报头的格式 描述了固定报头的格式。

图例 2.2 -固定报头的格式

2.2.1 MQTT控制报文的类型 MQTT Control Packet type

**位置：**第1个字节，二进制位7-4。

表示为4位无符号值，这些值的定义见 表格 2.1 -控制报文的类型

表格 2.1 -控制报文的类型

2.2.2 标志 Flags

固定报头第1个字节的剩余的4位 [3-0]包含每个MQTT控制报文类型特定的标志，见 表格 2.2 -标志位。表格 2.2中任何标记为“保留”的标志位，都是保留给以后使用的，必须设置为表格中列出的值 [MQTT-2.2.2-1]。如果收到非法的标志，接收者必须关闭网络连接。有关错误处理的详细信息见 4.8节 [MQTT-2.2.2-2]。

表格 2.2 - 标志位 Flag Bits

• DUP1 =控制报文的重复分发标志
• QoS2 = PUBLISH报文的服务质量等级
• RETAIN3 = PUBLISH报文的保留标志

从固定头的第 2 字节开始是用于标识 MQTT 数据包长度的字段，最少一个字节，最大四个字节，每一个字节的低 7 位用于标识值，范围为 0~127。最高位的 1 位是标识位，用来说明是否有后续字节来标识长度。例如：标识为 0，代表为没有后续字节；标识为 1，代表后续还有一个字节用于标识包长度。MQTT 协议规定最多可以用四个字节来标识包长度。

所以这四个字节最多可以标识的包长度为：(0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F) = 268435455 字节，约 256M，这个是 MQTT 协议中数据包的最大长度。

2.3 可变报头 Variable header

某些MQTT控制报文包含一个可变报头部分。它在固定报头和负载之间。可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。可变报头的报文标识符（Packet Identifier）字段存在于在多个类型的报文里。

2.3.1 报文标识符 Packet Identifier

图例 2.3 -报文标识符字节 Packet Identifier bytes

很多控制报文的可变报头部分包含一个两字节的报文标识符字段。这些报文是PUBLISH（QoS > 0时）， PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE, SUBACK，UNSUBSCRIBE，UNSUBACK。

SUBSCRIBE，UNSUBSCRIBE和PUBLISH（QoS大于0）控制报文必须包含一个非零的16位报文标识符（Packet Identifier）[MQTT-2.3.1-1]。客户端每次发送一个新的这些类型的报文时都必须分配一个当前未使用的报文标识符 [MQTT-2.3.1-2]。如果一个客户端要重发这个特殊的控制报文，在随后重发那个报文时，它必须使用相同的标识符。当客户端处理完这个报文对应的确认后，这个报文标识符就释放可重用。QoS 1的PUBLISH对应的是PUBACK，QoS 2的PUBLISH对应的是PUBCOMP，与SUBSCRIBE或UNSUBSCRIBE对应的分别是SUBACK或UNSUBACK [MQTT-2.3.1-3]。发送一个QoS 0的PUBLISH报文时，相同的条件也适用于服务端 [MQTT-2.3.1-4]。

QoS等于0的PUBLISH报文不能包含报文标识符 [MQTT-2.3.1-5]。

PUBACK, PUBREC, PUBREL报文必须包含与最初发送的PUBLISH报文相同的报文标识符 [MQTT-2.3.1-6]。类似地，SUBACK和UNSUBACK必须包含在对应的SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE报文中使用的报文标识符 [MQTT-2.3.1-7]。

需要报文标识符的控制报文在 表格 2.5 -包含报文标识符的控制报文 中列出。

表格 2.5 -包含报文标识符的控制报文 Control Packets that contain a Packet Identifier

客户端和服务端彼此独立地分配报文标识符。因此，客户端服务端组合使用相同的报文标识符可以实现并发的消息交换。

非规范评注

客户端发送标识符为0x1234的PUBLISH报文，它有可能会在收到那个报文的PUBACK之前，先收到服务端发送的另一个不同的但是报文标识符也为0x1234的PUBLISH报文。

2.4 有效载荷 Payload

某些MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷，这将在第三章论述。对于PUBLISH来说有效载荷就是应用消息。表格 2.6 – 包含有效载荷的控制报文 列出了需要有效载荷的控制报文。

表格 2.6 – 包含有效载荷的控制报文 Control Packets that contain a Payload

最后

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