MQTT协议简析
定义
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥感传输)是一种基于publish/subscribe(发布/订阅)模式的轻量级通信协议，它构建在TCP/IP的协议上，有IBM于1999年发布
特性
- 低开销、低带宽提供实时可靠的消息服务
- 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合
- 对负载内容屏蔽的消息传输
- 使用TCP/IP提供网络连接（也有一些基于UDP叫做MQTT-SN）
应用场景
- 智能家居
- 物联网（IOT）
- 机器与机器（M2M）
- 偶尔拨号的医疗设备
- 卫星链路通信传感器
协议
MQTT的协议格式如下图所示：
格式.png
固定头(Fixed header)
存在于所有的MQTT数据包中，表示数据包的类型及数据包的分组类标识，其格式如下图所示：
固定头标识位.png
数据包类型
位置：第1个字节中的4-7位，占4位，是一个4位无符号值，数据包类型的类型、取值及说明如下图所示：
固定头数据包类型.png
标识位
位置：第1个字节中的0-3位，占4位。每种数据包类型的标识位的取值是不一样的，也可能不使用标识位，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，接收端必须关闭连接，每种数据包类型的标识位说明如下图所示：
- DUP：发布消息的副本。用来保证消息的可靠传输，如果设置为1，则在下面的变长中添加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：发布消息的质量，即保证消息传递的次数，取值有：
- 00：最多一次，即发送消息<=1次，存在不发送的情况
- 01：至少一次，即发送消息>=1次，存在同一消息发送多次的情况
- 10：一次，即消息保证会发送且只发送一次
- 11：预留
- RETAIN：发布保留标识位，表示服务器要保留本次推送的消息，如果有新的订阅者出现，就把这条消息推送给它
剩余长度（Retaining Length）
位置：第2个字节起，最大占4个字节
固定头的第2个字节起用来保存变长头部和消息体的总大小。这一字节是可以扩展的，其机制是：第7位用于保存长度，剩下一位用作是否需要更多字节来表示剩余长度。如果剩下一位是1，表示长度不足，需要使用第3个字节继续保存；如果最后一位是0，表示长度已足够，依次类推直到占满4个字节
可变头(Variable header)
MQTT某些类型的数据包中包含一个可变头，它位于固定头和消息体之间。可变头的内容因数据包类型不同而不同，很多类型数据包中都包含一个2字节的数据包标识符（可以理解为消息Message ID），这些类型的包有：PUBLISH(Qos>0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK，下图是需要报文标识符的类型：
可变头—是否需要报文标识符.png
消息体（Paload）
消息体（Paload）位于MQTT数据包的第3部分，在可变头的后面，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：
- CONNECT：消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的主题Topic、消息Message、用户名、密码
- SUBSCRIBE：消息体内容是一系列的要订阅的主题及Qos
- 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
- UNSUBSCRIBE：消息体内容是要取消订阅的主题
MQTT控制报文
CONNECT
可变头
下图是CONNECT的可变头：
可变头—CONNECT.png
Paload
CONNECT没有消息体
CONNACK
可变头
下图是CONNACK的可变头：
可变头—CONNACK.png
- 连接确认标志
第1个字节是 连接确认标志，位7-1是保留位且必须设置为0。 第0 (SP)位 是当前会话（Session Present）标志。 - 连接返回码
位置：可变报头的第2个字节。
| 值 | 返回码响应 | 描述 |
|---|---|---|
| 0 | 0x00连接已接受 | 连接已被服务端接受 |
| 1 | 0x01连接已拒绝，不支持的协议版本 | 服务端不支持客户端请求的MQTT协议级别 |
| 2 | 0x02连接已拒绝，不合格的客户端标识符 | 客户端标识符是正确的UTF-8编码，但服务端不允许使用 |
| 3 | 0x03连接已拒绝，服务端不可用 | 网络连接已建立，但MQTT服务不可用 |
| 4 | 0x04连接已拒绝，无效的用户名或密码 | 用户名或密码的数据格式无效 |
| 5 | 0x05连接已拒绝，未授权 | 客户端未被授权连接到此服务器 |
| 6-255 | 保留 |
Paload
CONNACK无消息体
PUBLISH
可变头
下图是PUBLISH的可变头：
可变头—PUBLISH.png
Paload
Publish的消息体要依据具体的业务进行填充
PUBACK
可变头
下图是PUBACK可变头：
可变头—PUBACK.png
Paload
PUBACK无消息体
SUBSCRIBE
可变头
SUBSCRIBE的可变头如下图所示：
可变头—SUBSCRIBE.png
Paload
SUBSUCRIBE的消息体如下图所示：
Paload—SUBSCRIBE.png
