虽然学习协议是枯燥的，但是熟悉协议本身却是很重要的事情。如果能把其细节弄清楚，并且配合一些实验来学习，就不会那么枯燥了。
消息报文格式
MQTT协议是应用层协议，需要借助TCP/IP协议进行传输，类似HTTP协议。MQTT协议也有自己的格式，如下表：
[ Fixed Header | Variable Header | Payload]
Fixed Header: 固定头部，MQTT协议分很多种类型，如连接，发布，订阅，心跳等。其中固定头是必须的，所有类型的MQTT协议中，都必须包含固定头。
Variable Header:可变头部，可变头部不是可选的意思，而是指这部分在有些协议类型中存在，在有些协议中不存在。
Payload:消息载体，就是消息内容。与可变头一样，在有些协议类型中有消息内容，有些协议类型中没有消息内容。
固定头
固定头包含两部分内容，首字节(字节1)和剩余消息报文长度(1-4字节)。
| Bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Byte 1 | MQTT | Control | Packet | type | Flags specific | to each | MQTT Control | Packet type |
| Byte 2... | Remaining | Length |
为了避免翻译不准确，这里都使用官方的原始术语。其中MQTT Control Packet type可以简单理解为字节位Bit[7-4]用于确定报文类型。Flags specific to each MQTT Control Packet type意思是字节位Bit[3-0]用作某些报文的特殊标记。
首字节
首字节用于表示MQTT消息的报文类型以及某些类型的控制标记，如上图。高4位(bit7~bit4)表示协议类型，总共可以表示16种协议类型，其中0000和1111是保留字段。MQTT消息报文类型如下。
| 报文类型 | 字段值 | 数据方向 | 描述 |
|---|---|---|---|
| 保留 | 0 | 禁用 | 保留 |
| CONNECT | 1 | Client ---> Server | 客户端连接到服务器 |
| CONNACK | 2 | Server ---> Client | 连接确认 |
| PUBLISH | 3 | Client <--> Server | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | Client <--> Server | 发不确认 |
| PUBREC | 5 | Client <--> Server | 消息已接收(QoS2第一阶段) |
| PUBREL | 6 | Client <--> Server | 消息释放(QoS2第二阶段) |
| PUBCOMP | 7 | Client <--> Server | 发布结束(QoS2第三阶段) |
| SUBSCRIBE | 8 | Client ---> Server | 客户端订阅请求 |
| SUBACK | 9 | Server ---> Client | 服务端订阅确认 |
| UNSUBACRIBE | 10 | Client ---> Server | 客户端取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | Server ---> Client | 服务端取消订阅确认 |
| PINGREQ | 12 | Client ---> Server | 客户端发送心跳 |
| PINGRESP | 13 | Server ---> Client | 服务端回复心跳 |
| DISCONNECT | 14 | Client ---> Server | 客户端断开连接请求 |
| 保留 | 15 | 禁用 | 保留 |
首字节的低4位(bit3~bit0)用来表示某些报文类型的控制字段，实际上只有少数报文类型有控制位，如下图。
| 报文类型 | 固定头标记 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | Bit 0 |
|---|---|---|---|---|---|
| CONNECT | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CONNACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBLISH | Used in MQTT 3.1.1 | DUP | QoS | QoS | RETAIN |
| PUBACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREC | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREL | 保留 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| PUBCOMP | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| SUBSCRIBE | 保留 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| SUBACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| UNSUBACRIBE | 保留 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| UNSUBACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGREQ | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGRESP | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| DISCONNECT | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
当发布PUBLISH消息时，如果DUP字段(bit 3)设置为1，表明这是一条重复消息，否则是第一次发布消息。为了保证消息的可靠性传递，当QoS设置为1时，客户端或服务器发布消息时，需要得到对方的确认(PUBACK)，如果一段时间后没收到PUBACK，那么会再次发送当前消息，并将DUP字段标记为1。
QoS用来表明QoS等级，如果Bit 1和Bit 2都为0，表示QoS 0。如果Bit 1为1，表示QoS 1。如果Bit 2为1，表示QoS 2。如果同时将Bit 1和Bit 2都设置成1，那么客户端或服务器认为这是一条非法的消息，会关闭当前连接。
目前Bit[3-0]只在PUBLISH协议中使用有效，并且表中指明了是MQTT 3.1.1版本。对于其它MQTT协议版本，内容可能不同。所有固定头标记为"保留"的协议类型，Bit[3-0]必须保持与表中保持一致，如SUBSCRIBE协议，其Bit 1必须为1。如果接收方接收到非法的消息，会强行关闭当前连接。
Remaining Length
Remaining Length意思是剩余长度，即Variable Header + Payload的长度。剩余长度从Byte 2开始，最长可达4字节。所以剩余长度范围是Byte[2-5]。那么怎样确定其长度到底是1还是4呢，这取决于字节的最高位Bit 7(默认都是高字节在前)，如果这个值是1，那么就继续计算字节长度，如果是0，那么就不再计算字节长度。
消息长度可以简单理解为128进制的数据，4位长度最大可以表示128*128*128*128Byte=256MB。但是这个长度的计算有些特别，就是低位在前，高位在后(因为正常的表示方法是高位在前，低位在后)，字节最高位Bit7用于标记是否需要继续计算消息长度。以下是消息长度的长度范围：
| 字节 | 最小值 | 最大值 |
|---|---|---|
| 1 | 0(0x00) | 127(0x7F) |
| 2 | 128 (0x80, 0x01) | 16 383 (0xFF, 0x7F) |
| 3 | 16 384 (0x80, 0x80, 0x01) | 2 097 151 (0xFF, 0xFF, 0x7F) |
| 4 | 2 097 152 (0x80, 0x80, 0x80, 0x01) | 268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F) |
稍微注意一下，0x80=1000 0000，不是 1000。刚开始以为是1000，所以就没明白。
举个例子。
消息假设长度是[0X60]，其二进制是01100000，字节最高位Bit7(从左边起第0位)是0，所以不需要继续往后计算。那么消息长度就是0X60，十进制数是96。
如果消息长度是[0XC1, 0XC2, 0X33]，那么他们的二进制分别如下，
0xC1=1100 0001
0xC2=1100 0010
0x33=0011 0011，
第一字节最高位是1，那么需要继续向后计算，去掉标记位(0xC1%128)，得到100 0001=41
第二字节最高位是1，那么需要继续向后计算，去掉标记位(0xC2%128)，得到100 0010=42
第三字节最高位是0，不需要向后计算，其结果就是0x33=51
因为低位在前，高位在后，那么长度计算为Length=41 + 42*128 + 51*128*128=841001 B = 821KB
需要注意的是，消息长度=可变头部长度+消息内容长度。不包括首字节和消息长度本身，如果消息长度为5，那么说明这条消息后边还有5字节，整条消息长度为7(首字节+1位长度字节+5)。
另外如果消息长度为4字节，最后一位不能超过0X7F=127，因为如果超出这个值，其最高位Bit7是1，还需要往后计算，这与消息最大长度为4字节矛盾。所以如果出现[0XFF, 0XFF, 0XFF, 0XFF]这样的消息长度，那么接收方认为这是一条非法的消息。
Variable Header
Variable Header的意思是可变化的消息头部。有些报文类型包含可变头部，如PUBLISH，SUBSCRIBE，CONNECT等等。可变头部在固定头部和消息内容之间，其内容根据报文类型不同而不同。
Packet Identifier(消息ID)是一种常见的可变头部，一个消息ID包含2字节，高字节在前，低字节在后。包含Packet Identifier的协议类型包括：
| 报文类型 | 包含可变头 |
|---|---|
| PUBLISH | YES(QoS > 0) |
| PUBACK | YES |
| PUBREC | YES |
| PUBREL | YES |
| PUBCOMP | YES |
| SUBSCRIBE | YES |
| SUBACK | YES |
| UNSUBSCRIBE | YES |
| UNSUBACK | YES |
消息ID默认是从1开始并自增，如果一个消息ID被用完后，这个消息ID可以被重用。对于PUBLISH (QoS 1)来说，如果发送端接收到PUBACK，那么这个消息ID就用完了。对于PUBLISH(QoS 2)，如果接收方收到PUBCOMP，那么这个消息ID就用完了。对于SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE，消息ID使用完成的标记是发送方收到了对应的SUBACK和UNSUBACK。
另外客户端和服务端的消息ID是独立分配的，客户端和服务端可以同时使用同一个消息ID。比如
Client Server
PUBLISH Packet Identifier=0x1234--->
<--PUBLISH Packet Identifier=0x1234
PUBACK Packet Identifier=0x1234--->
<--PUBACK Packet Identifier=0x1234
上边消息客户端给服务端发送一条消息，使用的消息ID是0x1234，同时服务端给客户端发送了一条消息，也使用了消息ID 0x1234。然后客户端回复服务端，发送PUBACK，最后是客户端收到服务端的回复PUBACK。
另外其它协议如CONNECT和CONNACK也有可变头部，具体请参见MQTT-Packet CONNECT Variable Header
Payload
有些报文类型是包含Payload的，Payload意思是消息载体的意思，如PUBLISH的Payload就是指消息内容。而CONNECT的Payload则包含Client Identifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息。具体请参见MQTT-Packet CONNECT Payload
包含Payload的报文类型如下：
| 报文类型 | 是否包含Payload |
|---|---|
| CONNECT | YES |
| PUBLISH | 可选 |
| SUBSCRIBE | YES |
| SUBACK | YES |
| UNSUBSCRIBE | YES |
除了上面列出的报文类型，其它的报文类型都没有Payload。
抓包测试
我们使用Wire Shark抓包，来探测一下MQTT消息内容。
1. 打开Wireshark，选择你的网卡，添加以下过滤条件，并点击开始捕获。
tcp.port==1883
2. 打开终端，输入以下命令，发布一条消息。如果你不理解一下命令，请参看我的前一篇文章MQTT快速入门
$ mosquitto_pub -d -p 1883 -h 10.69.94.176 -q 1 -t topic1 -m "Hello MQTT"
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 sending CONNECT
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 received CONNACK (0)
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 sending PUBLISH (d0, q1, r0, m1, 'topic1', ... (10 bytes))
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 received PUBACK (Mid: 1)
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 sending DISCONNECT
3. 进入Wireshark捕获窗口，发现捕获到了一些TCP和MQTT协议，如下：
4. 查看其中一条MQTT消息，比如Publish Message，点击这一行。查看MQTT消息内容。其字节码为
32 14 00 06 74 6f 70 69 63 31 00 01 48 65 6c 6c 6f 20 4d 51 54 54
5. 来具体看一下消息内容
首字节 0x32=0011 0010，对照首字节中的表，4位高字节为0011=3，表示PUBLISH，4位低字节0010，分别表示DUP 0，QoS 1(占两位)，Retain 0。
Remaining Length 0x14=20，表示剩余消息长度为20。
PUBLISH (QoS>0)报文消息包含可变头部，其可变头部包含topic name和Packet Identifier。其格式为：
00 06表示topic name的长度，所以topic name长度是6
74 6f 70 69 63 31表示topic name的UTF8字符串，其值为"topic1"。
00 01是Packet Identifier，所以消息ID为1。
48 65 6c 6c 6f 20 4d 51 54 54是Payload，表示“Hello MQTT"的UTF8字节码。
总结
我们介绍了MQTT协议的消息格式，MQTT消息格式包含Fixed Header， Variable Header和Payload。因为MQTT消息格式非常精简，所以可以高效的传输数据。
Fixed Header中包含首字节，高4位用来表示报文类型，低4位用于类型控制。目前只有PUBLISH使用了类型控制字段。其它控制字段被保留并且必须与协议定义保持一致。
Fixed Header同时包含Remaining Length，这是剩余消息长度，最大长度为4字节，理论上一条MQTT最大可以传输256MB数据。Remaining Length=Variable Header+Payload长度。
Variable Header是可变头部，有些报文类型中需要包含可变头部，可变头部根据报文类型不同而不同。比如Packet Identifier在发布，订阅/取消订阅等报文中都使用到。
Payload是消息内容，也只在某些报文类型中出现，其内容和格式也根据报文类型不同而不同。
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