MQTT 3.1.1 通信协议

目录

 

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1 MQTT概述

1.1 简介

1.2 协议特点

1.3 数据格式与约定

2 控制报文格式

2.1 控制报文总体结构

2.1 固定报头

2.1.1 控制报文类型

2.1.2 标志位

2.1.3 剩余长度

2.2 可变报头

2.3 有效载荷

3 各种控制报文

3.1 CONNECT 连接报文

3.1.1 固定报头

3.1.2 可变报头

3.1.3 有效载荷

3.1.4 服务器的响应 

3.2 CONNACK 确认连接请求

3.2.1 固定报头

3.2.2 可变报头

3.2.3 有效载荷

3.3 PUBLISH 发布消息控制报文

3.3.1 固定报头

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1 MQTT概述

1.1 简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是消息队列遥测传输协议。在五层网络模型中处于应用层，是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议。设计特点：简单、轻量、易于实现。 应用场景：特别适合 带宽小、不可靠、硬件资源有限的场景下。可以说是一款物联网通信协议，运行在TCP/IP，或其他有序、可靠、双向连接的网络连接上。

1.2 协议特点

Sender（发送消息者，简称S），Receiver（接收消息者，简称R），Message（消息，简称M），Topic（主题，简称T），Proxy（代理服务器，简称P）。

1. 发布/订阅模式，使得应用之间解耦。首先接收者要去订阅主题，所有的消息都是按照主题来分类的，发送者也需要标识消息的主题。比如，R订阅了主题T，S指明消息M的主题为T并发送到代理服务器P上，P收到消息后，将M按主题T归类，然后将M推送给订阅了此主题T的用户（其中就有R），这样就完成了消息的传输。 为什么说使得应用之间解耦呢 ？试想，发送者和接受者实际上是应用程序，如果没有代理，S和R直接通信，两者程序之间多少都会存在耦合，因为要直接通信对接；如果中间有了代理，那么两者就只是和代理进行通信，之间没有直接有什么对接，所有解除了耦合。

2. 消息传输不需要知道负载内容。 暂时不理解。

3. 提供三种等级的服务质量。“最多一次”：同一个消息，发送者最多发送一次（发送失败或者发送成功），一个消息发送失败后是不会重新发送的，所以此服务等级存在数据丢失问题，可应用于对数据丢失不敏感的场景，比如部分无线传感网络，传感器丢失小部分数据，并不会产生影响。 “至少一次”：同一个消息，发送失败的时候，就会重传，确保该消息达到，所以称为至少一次；但是可能会出现消息重复，为什么可能出现重复消息呢 ？试想，要确保消息到达，那么消息达到后，必定要返回一个信号给发送者，告诉他消息送到了，但是如果由于网络的拥塞等原因，发送者迟迟没有收到返回信号，这个时间超过等待周期，那么发送者就认为消息没有送到，于是重新发送，等发送了之后，返回信号终于到了，但是消息已经被重新发送了，就造成了同一个消息被传输了两次，数据重复了。这个等级应用场景为：对数据的重复不敏感，只要保证每个数据传输成功就行。“只一次”：确保消息到达，且仅到达一次，这个容易理解。应用场景：对数据丢失和数据重复零容忍的场景。（“只一次”等级应该是最好的，直接用它不就行了，为什么还要提供另外两个等级呢？本人认为：提供的服务越完美，那么通信，计算，时间开销越大，服务越不完美，可能通信简单快速，计算简单快速，实时性高，鱼和熊掌不能兼得）。

4. 很小的传输消耗和协议数据交换，最大限度减少网络流量。这是比较明显的一个优势，协议本身简单轻量，所以传输数据量比较小。

5. 异常连接断开发生时，能通知到相关各方。网络连接因为异常而断开时，mqtt协议有机制去通知相关各方。

1.3 数据格式与约定

字节中，第0位到第7位，0位是最低为，7位是最高位。

整数是16位，又分为高8位和低8位，采用大端模式。

文本字符串采用 utf-8 编码格式。每个字符串的前面都有两个字节长度的字段，该字段是指明后面字符串的字节数，因为每个字符串的大小不能超过65535字节。

特别需要注意，字符串是Unicode编码的，U+ 代表是Unicode编码，16进制的。发送者生成的字符串是Unicode编码的，通过MQTT传输之前，要将Unicode编码的字符串转换为 utf-8 编码，传输出去，接收者接收到后，再讲 utf-8 编码格式的字符串转换为 Unicode编码格式。

在MQTT协议中，明确规定哪些Unicode字符码是不能包含的。

[U+D800, U+DFFF] 区间的字符码是无效的，如果接收者接收到了此区间的数据，必须关闭网络连接。

U+0000 空字符，如果接收者接收到了此数据，必须关闭网络连接。

[U+0001, U+001F]    [U+007F, U+009F]  区间的字符码，如果接收者接收到了，可以选择关闭网络连接。

非字符字符码，保留字符 ，如果接收者接收到了，可以选择关闭网络连接。

2 控制报文格式

2.1 控制报文总体结构

固定报头是固定的，每个控制报文都包含。可变报头，部分控制报文包含。 有效载荷，部分控制报文包含。

2.1 固定报头

2.1.1 控制报文类型

2.1.2 标志位

标志位是和控制报文类型关联的，类型是保留的，当然就不需要标志位了。Reserved表示此标志位为保留，以后开发扩展用的，重点就是PUBLISH类型的标志位。

DUP1：控制报文的重复分发标志。

QoS2：控制报文的服务质量等级。

RETAIN3：控制报文的保留标志。

2.1.3 剩余长度

剩余长度是剩下报文的字节数，不包含剩余长度本身。

剩余长度最少一个字节，最多四个字节，根据剩余报文大小决定。剩余长度的每个字节分为两部分：第7位 和 0~6位，第7位（最高位）表示是否后面还有字节。

2.2 可变报头

可变报头在每种类型的控制报文里面的字段和含义是不一样的，此处暂时不作介绍，第3节介绍各种报文的时候

2.3 有效载荷

有效载荷，可以将其理解为报文所带的附件内容，并不是所有的控制报文都需要有效载荷，对于不同类型的控制报文，有效载荷的意义是不一样的。

3 各种控制报文

3.1 CONNECT 连接报文

在客户端和服务器之间，只要网络是可达的，那么要想客户端和服务器建立连接，客户端就要发送第一个报文CONNECT连接报文，而且只能发送一次CONNECT报文，因为如果服务器收到客户端两个CONNECT报文的话，就必须要以异常处理，断开与客户端的连接。

3.1.1 固定报头

3.1.2 可变报头

可变报头包含四个内容，分别是“协议名”、“协议级别”、“连接标志”、“保持连接”。

协议名：协议名就是MQTT，长度为4字节，前两个字节用于存储长度，所以是04，后面4个字节用于存储协议的名字，就是MQTT，每个字母占据一个字节，用 utf-8 编码表示。这块内容基本不会变了，因为MQTT后续版本的协议对此都不会改变。

                如果协议名不是MQTT的话，服务器可以断开与客户端的连接。

协议级别：级别和协议的版本是一一对应的，比如本文讲的协议版本是3.1.1 ，那么级别就是4。作用：当服务器发现已经不支持客户端使用的协议版本了，就会返回返回一个控制报文，告知客户端协议不支持，然后服务器断开连接。

连接标志：就是指明连接的一些参数。服务器必须检验连接标志中的0位（保留位）是否为0，如果不为0，服务器必须断开连接。

第1位（清理会话）：是否及时清理会话状态。服务器与客户端之间是存在会话的，这个会话会保存一些信息（关于客户端），clean Session位设置为0，表示不清理会话，即保存会话状态，如果设置为1，表示要清理会话，即每一次传递数据，都是以新的会话来完成。

第2位（遗嘱标志）：是否留下遗嘱消息。当客户端与服务器之间连接非正常断开之后，是否要发布一个遗嘱消息。如果Will Flag设置为1，表示要留下遗嘱消息，遗嘱消息是存储在服务器的，当客户端与服务器之间的连接异常断开后，服务器就发布此遗嘱消息；如果设置为9，表示不留下遗嘱消息。

第3、4位（遗嘱服务质量等级）：发布遗嘱消息所使用的服务质量等级（0,1,2）。如果Will Flag设置为1，那么此标志才被用到，如果Will Flag设置为0，则此标志Will Qos必须为0。

第5位（遗嘱保留）：是否将遗嘱消息当做保留消息发布。如果Will Flag设置为0，则Will Retain 必须设置为0.。如果Will Flag设置为1，Will Retain设置为0，则服务器将遗嘱消息当作非保留消息发布，Will Retain设置为1，则服务器将遗嘱消息当作保留消息发布。

第6位（密码标志）：载荷部分是否包含密码字段。如果Password Flag设置为0，则不能包含有密码字段，设置为1，则必须包含密码字段。如果User Name Flag设置为0，那么Password Flag必须设置为0。

第7位（用户名标志）：载荷部分是否包含用户名字段。如果User Name Flag设置为0，则不能包含用户名字段，设置为1，则必须包含用户名字段。

保持连接：客户端发送报文的最大间隔时间，必须不断发送，如果没有什么实际报文可发送，那可以发送一个PINGREQ报文，总之空闲时间不能大于保持连接。2个字节，16位，单位为秒。

如果保持连接不为0，那么客户端就要遵守规则，发送报文的间隔时间不能超过保持连接。如果服务器在 1.5*保持连接 的时间内没有接收到客户端的控制报文，那么就可以认为网络连接断开了，必须要断开与客户端的连接。

如果保持连接等于0，就等于没有这个规则了，服务器不需要去关心客户端是否活跃。

 

3.1.3 有效载荷

就是一个或者多个以长度为前缀的字段，包含的内容有哪些呢？ 由可变报头中的那些标志位决定。 载荷中的内容是有严格顺序的：客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码。

客户端标识符：每个客户端都有能够唯一标识自己的标识符，这样服务器才能识别客户端身份。（必须存在，而且处于有效载荷的第一个字段），而且标识符的长度为1~23个字节，只能由“大写字母”、“小写字母” 和 “数字” 组成。

服务器也允许客户端传一个零字节的标识符，但是如果是这样，那么服务器必须将此看作是特殊情况，给客户端分配一个标识符， 以此假设客户端提了标识符，接着正常处理。

试想，如果客户端的标识符为零字节，服务器给客户端一个临时的标识符，那么就意味着清理会话标志必须设置为1，因为饿标识符是临时的，没法保存会话状态； 如果此时清理会话标志为0的话，服务器必须发送返回码为0x02的CONNACK报文响应客户端，然后关闭连接。

如果客户端标识符什么的，都没有问题，但是服务器就是拒绝了这个客户端，那服务器必须要发送返回码为0x02的CONNACK报文响应客户端，然后关闭连接。

遗嘱主题：如果可变报头中的遗嘱标志被设置为1，那么接下来一个字段就是遗嘱主题了。

遗嘱消息：如果可变报头中的遗嘱表示被设置为1的话，那么接下来的一个字段就是遗嘱消息。

用户名：如果可变报头中的用户名标志被设置为1的话，那么接下来一个字段就是用户名。

密码：如果可变报头中的密码标志被设置为1的话，那么接下来一个字段就是密码。包含两个字节的“长度”，和密码部分。

3.1.4 服务器的响应 

网络基础设施建立好了之后，即客户端可以与服务器网络沟通之后，如果在规定的时间内没有收到CONNECT报文，服务器可以关闭这个连接。

服务器必须按照相应的要求去验证CONNECT报文，如果报文不符合要求，服务器不发送CONNACK报文，直接关闭连接。

服务器可以做数据的业务检查，如果发现CONNECT报文中的内容不满足要求，可以发送一个适当的CONNACK响应，并且必须关闭连接。

 

 

3.2 CONNACK 确认连接请求

CONNACK报文是专门用于响应用户的CONNECT连接请求报文的，这是服务器发送给客户端的第一个报文。如果客户端从发送完CONNECT报文后的一段合理的时间内，没有接收到服务器的CONNACK报文，客户端应该关闭连接。

3.2.1 固定报头

报文的固定报头的格式肯定都是一样的，只是内容不一样，CONNACK报文的固定报头内容如下，报文类型是2，剩余长度固定是2。既然剩余长度为2，那么我们接下来就看看这两个字节到底存的是什么（可变报头的两个字节，没有有效载荷）。

3.2.2 可变报头

可以看出，CONNACK报文的可变报头中的内容就比较少了，没有CONNECT报文那么多，至于两个内容，连接确认标志和连接返回码，每个内容占1个字节。

连接返回码：先说这个返回码，返回码是1个字节，无符号值。规定了一些返回码，每一个返回码都代表一个意义。服务器如果向客户端返回的CONNACK报文中的返回码是非零的，服务器必须关闭与客户端的连接。

如果实际的场景与下表中所有的返回码意义都不符合，服务器必须关闭网络连接，不需要发送CONNACK报文。

值	返回码响应	描述
0	0x00 表示接受连接	服务器已接受客户端的CONNECT请求连接
1	0x01 表示拒绝连接，不支持协议版本	服务器不支持客户端的MQTT协议版本
2	0x02 表示拒绝连接，不合格的客户端标识符	服务器认为客户端标识符不合格
3	0x03 表示拒绝连接，服务器不可用	网络连接已建立，但是MQTT服务不可用，问题出在服务器上
4	0x04 表示拒绝连接，无效的用户名或者密码	用户名或密码的数据格式无效（注意是格式）
5	0x05 表示拒绝连接，未授权	客户端未被授权连接到此服务器
6~255	暂时没有使用	保留

连接确认标志：1个字节，共8位，1~7位均为0（保留位），0位才是有用的那一位，0位是“当前会话标志”，那这个当前会话标志有什么作用呢？首先理解下面的一段话：

客户端发送CONNECT连接请求报文，如果报文中的清理会话标志为1，那CONNACK报文的返回码要设置为0，当前会话标志要设置为0。 如果CONNECT报文中的清理会话标志为0，此时就取决于服务器是否已经保存了客户端的会话状态，如果没有存储，那服务器必须将CONNACK报文中的当前会话标志设置为0，将返回码设置为0； 如果服务器存储了客户端的会话状态，那必须将CONNACK报文中的当前会话标志设置为1。

通过上面一段的说明，当前会话标志的作用就是要告诉客户端，我服务器是不是已经存储有我们的会话状态。这样的话，如果服务器返回的会话状态标志为1，就说明服务器存有会话状态，客户端也可以存储会话状态呀，此时客户端就可以判断服务器的行为是否合理，如果不合理，就可以断开。（之前总是服务器去各种验证，检查客户端，现在客户端也可以有点验证服务器的地方了）。

注意：如果服务器发送一个非零返回码的CONNACK报文，必须将当前会话标志设置为0。

3.2.3 有效载荷

CONNACK报文没有有效载荷。

3.3 PUBLISH 发布消息控制报文

3.3.1 固定报头

PUBLISH报文的类型是3，DUP是重发标志，Qos是服务质量等级，RETAIN是保留标志（是有用的，不是那种保留在哪将来用，这个标志的名字就是保留标志）。