4、MQTT报文格式
1、MQTT 控制报文格式
MQTT 控制报文的结构
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。MQTT数据包结构如下：
（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。
（3）消息体（Payload）：存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。
1.1、 固定报头
每个 MQTT 控制报文都包含一个固定报头。固定报头的格式如下图所示：
MQTT固定报文头最少有两个字节，第一字节包含消息类型（Message Type）和QoS级别等标志位。第二字节开始是剩余长度字段，该长度是后面的可变报文头加消息负载的总长度，该字段最多允许四个字节。
剩余长度字段单个字节最大值为二进制0b0111 1111，16进制0x7F。也就是说，单个字节可以描述的最大长度是127字节。为什么不是256字节呢？因为MQTT协议规定，单个字节第八位（最高位）若为1，则表示后续还有字节存在，第八位起“延续位”的作用。
例如，数字64，编码为一个字节，十进制表示为64，十六进制表示为0×40。数字321（65+2*128）编码为两个字节，重要性最低的放在前面，第一个字节为65+128=193（0xC1），第二个字节是2（0x02），表示2×128。
由于MQTT协议最多只允许使用四个字节表示剩余长度（如表1），并且最后一字节最大值只能是0x7F不能是0xFF，所以能发送的最大消息长度是256MB，而不是512MB。
（1）MQTT 控制报文的类型
位置：byte1， bit7-bit4。
表示为 4 位无符号值， 这些值的定义见下表---控制报文的类型
|
名字 |
值 |
报文流动方向 |
描述 |
|
Reserved |
0 |
禁止 |
保留 |
|
CONNECT |
1 |
客户端到服务端 |
客户端请求连接服务端 |
|
CONNACK |
2 |
服务端到客户端 |
连接报文确认 |
|
PUBLISH |
3 |
两个方向都允许 |
发布消息 |
|
PUBACK |
4 |
两个方向都允许 |
QoS 1 消息发布收到确认 |
|
PUBREC |
5 |
两个方向都允许 |
发布收到（保证交付第一步） |
|
PUBREL |
6 |
两个方向都允许 |
发布释放（保证交付第二步）MQTT-3.1.1-CN 15 |
|
PUBCOMP |
7 |
两个方向都允许 |
QoS 2 消息发布完成（保证交互第三步） |
|
SUBSCRIBE |
8 |
客户端到服务端 |
客户端订阅请求 |
|
SUBACK |
9 |
服务端到客户端 |
订阅请求报文确认 |
|
UNSUBSCRIBE |
10 |
客户端到服务端 |
客户端取消订阅请求 |
|
UNSUBACK |
11 |
服务端到客户端 |
取消订阅报文确认 |
|
PINGREQ |
12 |
客户端到服务端 |
心跳请求 |
|
PINGRESP |
13 |
服务端到客户端 |
心跳响应 |
|
DISCONNECT |
14 |
客户端到服务端 |
客户端断开连接 |
|
Reserved |
15 |
禁止 |
保留 |
固定报文头中的第一个字节包含连接标志（Connect Flags），连接标志用来区分MQTT的消息类型。MQTT协议拥有14种不同的消息类型，可简单分为连接及终止、发布和订阅、QoS 2消息的机制以及各种确认ACK。
（2）、用于指定控制报文类型的标志位
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。
表格中任何标记为“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 。 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。
|
控制报文 |
固定报头标志 |
Bit 3 |
Bit 2 |
Bit 1 |
Bit 0 |
|
CONNECT |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
CONNACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
PUBLISH |
Used in MQTT 3.1.1 |
DUP1 |
QoS2 |
QoS2 |
RETAIN3 |
|
PUBACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
PUBREC |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
PUBREL |
Reserved |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
PUBCOMP |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
SUBSCRIBE |
Reserved |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
SUBACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
UNSUBSCRIBE |
Reserved |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
UNSUBACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
PINGREQ |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
PINGRESP |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
DISCONNECT |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
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。
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(QoS==0)，即：<=1。消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。协议里没有定义应答和重试，会发生消息丢失或重复。消息要么只会到达服务端一次，要么根本没有到达。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
01：至少一次(QoS==1)，即：>=1。确保消息到达，但消息重复可能会发生。服务器的消息接收由PUBACK消息进行确认，如果通信链路或发送设备异常，或者指定时间内没有收到确认消息，发送端会重发这条在消息头中设置了DUP位的消息。
10：只有一次(QoS==2)，即：=1。确保消息到达一次。这是最高级别的消息传递，消息丢失和重复都是不可接受的，使用这个服务质量等级会有额外的开销。 这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量。
11：预留
比如目前流行的共享单车智能锁，智能锁可以定时使用QoS level 0质量消息请求服务器，发送单车的当前位置，如果服务器没收到也没关系，反正过一段时间又会再发送一次。之后用户可以通过App查询周围单车位置，找到单车后需要进行解锁，这时候可以使用QoS level 1质量消息，手机App不断的发送解锁消息给单车锁，确保有一次消息能达到以解锁单车。最后用户用完单车后，需要提交付款表单，可以使用QoS level 2质量消息，这样确保只传递一次数据，否则用户就会多付钱了。
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。
（3）、 剩余长度
位置： 从第 2 个字节开始。
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
剩余长度（Remaining Length） 表示当前报文剩余部分的字节数， 包括可变报头和负载的数据。 剩余长度不包括用于编码剩余长度字段本身的字节数。
剩余长度字段使用一个变长度编码方案， 对小于 128 的值它使用单字节编码。 更大的值按下面的方式处理。低 7 位有效位用于编码数据，最高有效位用于指示是否有更多的字节。 因此每个字节可以编码 128 个数值和一个延续位（continuation bit） 。 剩余长度字段最大 4 个字节。
非规范评注：例如， 十进制数 64 会被编码为一个字节， 数值是 64， 十六进制表示为 0x40,。十进制数字321(=65+2*128)被编码为两个字节， 最低有效位在前。 第一个字节是 65+128=193。 注意最高位为1 表示后面至少还有一个字节。 第二个字节是 2。
非规范评注：这允许应用发送最大 256MB(268,435,455)大小的控制报文。这个数值在报文中的表示是：0xFF,0xFF,0xFF,0x7F。
表格 剩余长度字段的大小
1.2、可变报头
可变报文头主要包含协议名、协议版本、连接标志（Connect Flags）、心跳间隔时间（Keep Alive timer）、连接返回码（Connect Return Code）、主题名（Topic Name）等。
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。
（1） 报文标识符
（2）遗愿标志（Will Flag）
在可变报文头的连接标志位字段（Connect Flags）里有三个Will标志位：Will Flag、Will QoS和Will Retain Flag，这些Will字段用于监控客户端与服务器之间的连接状况。如果设置了Will Flag，就必须设置Will QoS和Will Retain标志位，消息主体中也必须有Will Topic和Will Message字段。
那遗愿消息是怎么回事呢？服务器与客户端通信时，当遇到异常或客户端心跳超时的情况，MQTT服务器会替客户端发布一个Will消息。当然如果服务器收到来自客户端的DISCONNECT消息，则不会触发Will消息的发送。
因此，Will字段可以应用于设备掉线后需要通知用户的场景。
（3）连接保活心跳机制（Keep Alive Timer）
MQTT客户端可以设置一个心跳间隔时间（Keep Alive Timer），表示在每个心跳间隔时间内发送一条消息。如果在这个时间周期内，没有业务数据相关的消息，客户端会发一个PINGREQ消息，相应的，服务器会返回一个PINGRESP消息进行确认。如果服务器在一个半（1.5）心跳间隔时间周期内没有收到来自客户端的消息，就会断开与客户端的连接。心跳间隔时间最大值大约可以设置为18个小时，0值意味着客户端不断开。
1.3、有效载荷（Payload）
Payload直译为负荷，可能让人摸不着头脑，实际上可以理解为消息主体（body）。
当MQTT发送的消息类型是CONNECT（连接）、PUBLISH（发布）、SUBSCRIBE（订阅）、SUBACK（订阅确认）、UNSUBSCRIBE（取消订阅）时，则会带有负荷。
某些 MQTT 控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷。 对于 PUBLISH 来说有效载荷就是应用消息。
下面表格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。
