MQTT 协议学习：001-MQTT协议数据包结构

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背景

工作中参与有关调试的时候，发现对于协议帧的解析是比较重要的。

参考：《MQTT协议 -- 消息报文格式》、《基于STM32实现MQTT》、《MQTT协议从服务端到客户端详解》

MQTT协议数据包结构

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。

• （1）固定头（Fixed header）。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
• （2）可变头（Variable header）。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。 可变头部不是可选的意思，而是指这部分在有些协议类型中存在，在有些协议中不存在。
• （3）消息体（Payload）。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的真正内容。 与可变头一样，在有些协议类型中有消息内容，有些协议类型中没有消息内容。

MQTT固定头

MQTT协议分很多种类型，如连接，发布，订阅，心跳等。所有类型的MQTT协议中，都必须包含固定头。

固定头包含两部分内容，首字节(字节1)和剩余消息报文长度(1-4字节)。

由于markdown 表示合并表格有技术难度。对于下方有些bit 实际上是 byte1:7~4 是合并的， byte1:3~0是合并的。
可以参考这里，2个表格是等价的。

协议类型

Byte1的 Bit[7-4]： MQTT Control Packet type，协议类型。总共可以表示16种协议类型，其中0000和1111是保留字段。

报文类型标志位

Byte1的 Bit[3-0]： Flags specific to each MQTT Control Packet type，字节位用作某些报文类型的标志位。
实际上只有少数报文类型有控制位，如下表。

当发布PUBLISH消息时，如果DUP字段(bit 3)设置为1，表明这是一条重复消息，否则是第一次发布消息。为了保证消息的可靠性传递，当QoS设置为1时，客户端或服务器发布消息时，需要得到对方的确认(PUBACK)，如果一段时间后没收到PUBACK，那么会再次发送当前消息，并将DUP字段标记为1。

QoS用来表明QoS等级，如果Bit 1和Bit 2都为0，表示QoS 0。如果Bit 1为1，表示QoS 1。如果Bit 2为1，表示QoS 2。如果同时将Bit 1和Bit 2都设置成1，那么客户端或服务器认为这是一条非法的消息，会关闭当前连接。

目前Bit[3-0]只在PUBLISH协议中使用有效，并且表中指明了是MQTT 3.1.1版本。对于其它MQTT协议版本，内容可能不同。所有固定头标记为"保留"的协议类型，Bit[3-0]必须保持与表中保持一致，如SUBSCRIBE协议，其Bit 1必须为1。如果接收方接收到非法的消息，会强行关闭当前连接。

剩余长度

剩余长度的计算从理解上是一大难点。注意理解好下面2句加粗的句子。

Remaining Length意思是剩余长度，即可变头（Variable header） + 消息体（payload）的长度。

剩余长度从Byte 2开始，最长可达4字节。即：剩余长度范围是Byte2到Byte5。

计算： 剩余长度 所占用的字节数

MQTT协议规定，byte2（最高到byte5）的bit7（最高位）若为1，则表示还有后续字节存在。

记 N 为 消息报文中的 第n个byte, (2 < N < 5)，
如果byte N 的 bit7 是1，那么Byte M (M = N + 1, M < 5 ) 作为剩余长度的一部分，可用于继续计算字节长度；
如果byte N 的 bit7 是0，那么Byte M (M = N + 1, M < 5 ) 就不能看作是剩余长度的一部分计算字节长度。

所以单个字节最大值：01111111，即：0x7F，10进制为127。
MQTT协议最多允许4个字节表示剩余长度。那么最大长度为：0xFF,0xFF,0xFF,0x7F。

计算：剩余长度 所代表长度

消息长度可以简单理解为128进制的数据，4位长度最大可以表示128128128*128Byte=256MB。
注意：长度的计算有些特别，即低位在前，高位在后。以下是消息长度的长度范围：

1.2 标识位

位置：Byte 1中bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：

（1）DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。

（2）QoS：发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数

?00：最多一次，即：<=1

?01：至少一次，即：>=1

?10：一次，即：=1

?11：预留

（3）RETAIN： 发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。 1.3 剩余长度（Remaining Length）

地址：Byte 2。

固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。例如：计算出后面的大小为0

2 MQTT可变头

MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是作为包的标识：

很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

3 Payload消息体

Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：

• （1）CONNECT，消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
• （2）SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
• （3）SUBACK，消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
• （4）UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。

MQTT有C/C++语言和JAVA包实现。需要明确的是，MQTT更适用于设备终端和手机APP socket通信，而不能支持浏览器使用。如果要支持微信浏览器应用，还需要增加类似WebsocketServlet技术给浏览器提供支持，这时MQTT以JS接口进行封装，并被调用完成消息推送。

MQTT 协议学习：001-MQTT协议数据包结构

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原文地址：https://www.cnblogs.com/schips/p/12255552.html