MQTT自学笔记（二）—Message format

前言：

关于MQTT的学习我是参照的MQTT V3.1版本。
这里有MQTT V3.1的在线版本：在线版本
官方下载地址：PDF格式版本
我就是看这个官方的英文文档学习的，其实我这博客基本上就是翻译和总结了这个协议文档。

Message format

每个MQTT消息头命令消息包含一个Fixed header (固定头部)。一些信息还需要一个Variable header(可变头部)和Payload(有效载荷)。消息头每个部分的格式描述在以下部分:

1. Fixed header

每个MQTT消息头命令消息包含一个固定头部。2个字节（16个字）。如下表显示：

Byte 1

包含消息类型和标志(DUP、QoS级别和保留)字段。

1. Mesage Type

Postion: byte 1, bits 7-4
表示为4位无符号值，MQTT V3.1版本的协议枚举在下表：

除去0和15位置属于保留，总共14种事件类型。

2. DUP flag(打开标志)

Postion: byte 1, bits 3
保证消息可靠传输，默认为0，只占用一个bit,表示第一次发送，不能用来检测消息重复发送，在客户端或者服务器端尝试重发PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息，注意需要满足以下条件：
当QoS > 0
消息需要回复确认

此时，在可变头部需要包含消息ID。当值为1时，表示当前消息先前已经被传送过。

3. QoS level ( Quality of Service)

Postion: byte 1, bits 2-1
这个标志使用两个2进制表示PUBLISH类型的消息：

4. RETAIN(保持)

Postion: byte 1, bits 0
这个标志位仅针对PUBLISH消息。
仅针对PUBLISH消息。不同值，不同含义：
1：表示发送的消息需要一直持久保存（不受服务器重启影响），不但要发送给当前的订阅者，并且以后新来的订阅了此Topic name的订阅者会马上得到推送。
备注：新来乍到的订阅者，只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。
0：仅仅为当前订阅者推送此消息。

假如服务器收到一个空消息体(zero-length payload)、RETAIN = 1、已存在Topic name的PUBLISH消息，服务器可以删除掉对应的已被持久化的PUBLISH消息。

Byte 2

1. Remaining Length

(至少一个字节)包含剩余的长度字段。在以下部分中会描述这部分字段。所有数据值都在高位优先顺序:高位字节在前，低位字节在后。提出了一种16位字作为最重要的字节(MSB),其次是最低有效字节(LSB)。
在当前消息中剩余的byte(字节)数，包含可变头部和负荷(称之为内容/body，更为合适)。单个字节最大值：01111111，16进制：0x7F，10进制为127。
单个字节为什么不能是11111111（0xFF）呢？
因为MQTT协议规定，第八位（最高位）若为1，则表示还有后续字节存在。同时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，二进制表示为:11111111,11111111,11111111,01111111，十进制：268435455
比如：十进制的321是需要用两个字节来表示（65 + 2*128 ），转换成十六进制是0xFF ,0x41,(网络字节顺序)。
byte=261120KB=256MB=0.25GB 四个字节之间值的范围：

1、一个十进制编码数转换成Remaining Length（不确定的字节值的算法）如下：

do
{
  digit = X MOD 128
  X = X DIV 128
  // if there are more digits to encode, set the top bit of this digit
  if ( X > 0 )
    digit = digit OR 0x80
  endif
  //'output' digit
  }
while ( X> 0 )

这里的“MOD”表示：按模运算符（% in C）,
“DIV”表示：整除算法( / in C )
“OR”表示：是按位或（| in C）。
***digit是以字节为单位的Remaining Length。***digit对val求模，最大值可能是127，一旦127 | 10000000 = 11111111 = 0xff = 255
请注意： Remaining Length（剩余长度），只在Fixed header （固定头部）中，无论是一个字节，还是四个字节，不能被算作Variable header（可变头部）中。
2、对于Remaining Length解析成十进制的算法如下：

multiplier = 1 ;
value = 0 ;
do 
{
  digit = 'next digit from stream' ;
  value += (digit AND 127) * multiplier;
  multiplier *= 128;
 }
while ((digit AND 128) != 0)

这里的”AND”表示：和操作云算符（& inC）。
算法结束时，value就是Remaining Length，这个值是十进制的。一般最后一个字节小于127（01111111），和0x80（10000000）进行&操作，最终结果都为0，因此计算会终止。

Variable header

固定头部仅定义了消息类型和一些标志位，一些消息的元数据，需要放入可变头部中。
需要再次强调的是：
Variable header（可变头部）字节长度 + Playload（负荷）字节长度 = Remaining Length（剩余长度）
这个是需要牢记的。可变头部，包含了协议名称，版本号，连接标志，用户授权，心跳时间等内容，这部分和后面要讲到的CONNECT消息类型，有重复，暂时略过。

Payload

消息体主要是为配合固定/可变头部命令而存在，（比如CONNECT可变头部User name标记若为1则需要在payload(消息体/负载 )中附加用户名称字符串。
CONNECT/SUBSCRIBE/SUBACK/PUBLISH等消息有消息体。PUBLISH的消息体以二进制形式对待。
MQTT协议只允许在PUBLISH类型消息体中使用自定义特性，不可以在固定/可变头部想加入自定义私有特性，这也是为了协议免于流于形式，变得很分裂也为了兼顾现有客户端等。比如支持压缩等，那就可以在Playload中定义数据支持，在应用中进行读取处理。

Message identifiers

Message identifiers（消息标识符/消息ID）存在以下的MQTT消息的可变头部中：PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK。并且要求Fixed header （固定头部）中的QoS level标志值为1或2时。
Message identifiers是一个16位无符号位的short类型值（值不能为 0，0做保留作为无效的消息ID），仅仅要求在一个特定方向（服务器发往客户端为一个方向，客户端发送到服务器端为另一个方向）的通信消息中必须唯一。比如客户端发往服务器，有可能存在服务器发往客户端会同时存在重复，但不碍事。
Message identifiers占用两个字节，需要指出的是先MSB然后LSB，也就是网络字节顺序（也称大端顺序）。

MQTT and UTF-8

utf - 8是一个高效的编码优化的支持ASCII字符编码文本通信的Unicode字符串。
在MQTT中，字符串以两个字节为前缀，表示长度，如下表所示。

字符串长度是编码字符串字符的字节数，而不是字符的数量。例如,utf - 8编码的字符串”OTWP”如下表所示，头两个字节为一个完整的无符号数字，代表字符串字节长度，后面四个字节才是字符串真正的长度，共六个字节

MQTT无论是可变头部还是消息体中，只要是字符串部分，都是采用了修改版的UTF-8编码。

总结

总之，掌握固定头部的QoS level、RETAIN标记、可变头部的Connect flags作用和意义，对彻底理解MQTT很有帮助。