MQTT 协议系列之基础概念

1 MQTT 协议的通信模型

就像我们之前提到的那样，MQTT 的通信是发布/订阅的方式来实现的，消息的发布方和订阅方通过这种方式来进行解耦，他们没有直接地进行连接，它们需要一个中间方。在 MQTT 里面我们称之为 broker，用来进行消息的存储和转发。一次典型的 MQTT 消息通信的流程如下图所示：

1. 发布方将消息发布到 broker
2. broker 接收到消息后，检查都有哪些订阅方订阅了此消息，然后将消息发给这些订阅者
3. 订阅方从 broker 获取该消息

2 MQTT client

任何终端，嵌入式设备也好，服务器也好，只要需要发布或订阅消息都称之为 MQTT 的 client。一个 client 可以同时是 publisher 和 subscriber。

3 MQTT Broker

broker 负责接收 publisher 的消息，并发送给相应的 subscriber，它是整个 MQTT 订阅/发布的核心。在实际应用中，一个 MQTT broker 还应该提供以下一些功能：

• 可以横向扩展，比如集群，来满足大量的 client 接入；
• 可以扩展接入业务系统；
• 易于监控，满足高可用性。

4 MQTT 协议数据包

MQTT 协议的数据包格式非常简单，一个 MQTT 协议数据包由下面三个部分组成：

• 固定头（Fixed header）：存在于所有的 MQTT 数据包中，用于表示数据包类型及对应标识，表明数据包大小；
• 可变头（Variable header）：存在于部分类型的 MQTT 数据包中，具体内容由相应类型的数据包决定；
• 消息体（Payload）：存在于部分 MQTT 数据包中，存储消息的具体数据。

接下来看一下固定头的格式，可变头和消息体我们将在讲解各种具体类型的 MQTT 协议数据包的时候 case by case 地讨论。

固定头格式：

固定头的第一个字节的高 4 位 bit 用于指定该数据包的类型，MQTT 的数据包有以下一些类型：

名称	值	方向	描述
Reserved	0	不可用	保留位
CONNECT	1	Client 到 Broker	Client 请求连接到 Broker
CONNACK	2	Broker 到 Client	连接确认
PUBLISH	3	双向	发布消息
PUBACK	4	双向	发布确认
PUBREC	5	双向	发布收到
PUBREL	6	双向	发布释放
PUBCOMP	7	双向	发布完成
SUBSCRIBE	8	Client 到 Broker	Client 请求订阅
SUBACK	9	Broker 到 Client	订阅确认
UNSUBSCRIBE	10	Client 到 Broker	Client 请求取消订阅
UNSUBACK	11	Broker 到 Client	取消订阅确认
PINGREQ	12	Client 到 Broker	PING 请求
PINGRESP	13	Broker 到 Client	PING 应答
DISCONNECT	14	Client 到 Broker	Client 主动中断连接
Reserved	15	不可用	保留位

固定头的低 4 位 bit 用于指定数据包的 Flag，不同的数据包类型，其 Flag 的定义是不一样的，每种数据包对应的 Flag 如下：

数据包	标识位	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
CONNECT	保留位	0	0	0	0
CONNACK	保留位	0	0	0	0
PUBLISH	MQTT 3.1.1 使用	DUP	QoS	QoS	RETAIN
PUBACK	保留位	0	0	0	0
PUBREC	保留位	0	0	0	0
PUBREL	保留位	0	0	0	0
PUBCOMP	保留位	0	0	0	0
SUBSCRIBE	保留位	0	0	0	0
SUBACK	保留位	0	0	0	0
UNSUBSCRIBE	保留位	0	0	0	0
UNSUBACK	保留位	0	0	0	0
PINGREQ	保留位	0	0	0	0
PINGRESP	保留位	0	0	0	0
DISCONNECT	保留位	0	0	0	0

注意：DUP、QOS、RETAIN 标识的使用将在后续的课程中详细讲解。

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。

注意：Remain Length 的值不包含固定头的大小，包括第 1 字节和 Remain Length 字段。