MQTT协议之头部信息介绍

文章目录

1. 前言
2. 协议介绍

前言

　　MQTT（Message Queue Telemetry Transport）,遥测传输协议，提供订阅/发布模式，更为简约、轻量，易于使用，针对受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定），可以简单概括为物联网打造，官方总结特点如下：

1.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。
2. 对负载内容屏蔽的消息传输。
3. 使用 TCP/IP 提供网络连接。
4. 有三种消息发布服务质量：
    “至多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
    “至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
    “只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。
5. 小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量。
6. 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

　　在沉寂了四年之后， MQTT 3.1.1规范于2014年10月30号正式发布，与此同时MQTT 3.1.1已成为OASIS（结构化信息标准促进组织）开放物联网消息传递协议标准（连接1 连接2 ），换种说法就是MQTT 3.1.1已升级为国际物联网标准。
　　细心的朋友一定会发现，原来MQTT 3.1规范是IBM的协议，到了MQTT 3.1.1规范后就变成了OASIS的标准。
　　中文版的文档查看以下的链接：
　　MQTT协议v3.1中文版
　　 MQTT协议v3.1.1中文版

协议介绍

固定头部

　　固定头部，使用两个字节，共16位：

mqtt 固定头部
Byte 1　消息类型和标志字段，消息类型(4-7)，使用4位二进制表示，可代表16种消息类型。
Byte 2　剩余长度字段（至少1个字节，最多4个字节），采用big-endian模式存储。

消息类型

mqtt 消息类型

除去0和15位置属于保留待用，共14种消息事件类型。

DUP flag（打开标志）

保证消息可靠传输，默认为0，只占用一个字节，表示第一次发送。不能用于检测消息重复发送等。只适用于客户端或服务器端尝试重发PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息，注意需要满足以下条件：

1 2	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。

QoS(Quality of Service,服务质量)

　　使用两个二进制表示PUBLISH类型消息：

mqtt 服务质量

RETAIN(保持)

　　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。

Remaining Length（剩余长度）

　　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 byte=261120KB=256MB=0.25GB
四个字节之间值的范围：

mqtt 剩余长度

可变头部

　　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。可变头部内容字节长度 + Playload/负荷字节长度 = 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。

Playload/消息体/负荷

　　消息体主要是为配合固定/可变头部命令（比如CONNECT可变头部User name标记若为1则需要在消息体中附加用户名称字符串）而存在。
　　CONNECT/SUBSCRIBE/SUBACK/PUBLISH等消息有消息体。PUBLISH的消息体以二进制形式对待。
　　请记住MQTT协议只允许在PUBLISH类型消息体中使用自定义特性，在固定/可变头部想加入自定义私有特性，就免了吧。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。这部分会在后面的文章中详细论述。

消息标识符/消息ID

　　固定头中的QoS level标志值为1或2时才会在：PUBLISH，PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE，SUBACK，UNSUBSCRIBE，UNSUBACK等消息的可变头中出现。
　　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。
　　可变头部中，需要两个字节的顺序是MSB(Most Significant Bit) LSB(Last/Least Significant Bit)，翻译成中文就是，最高有效位，最低有效位。最高有效位在最低有效位左边/上面，表示这是一个大端字节/网络字节序，符合人的阅读习惯，高位在最左边。

mqtt 消息标识符

小结

　　掌握固定头部的QoS level、RETAIN标记、可变头部的Connect flags作用和意义，对总体理解MQTT作用很大。下面列举了一些常用的操作：
CONNECT
　　TCP连接建立完毕后，Client向Server发出一个Request。
如果一段时间内接收不到Server的Response，则关闭socket，重新建立一个session连接。
　　如果一个ClientID已经与服务器连接，则持有同样ClientID的旧有连接必须由服务器关闭后，新建立才能建立。
CONNACK
　　Server发出Response响应。

0x00 Connection Accepted
0x01 Connection Refused: unacceptable protocol version
0x02 Connection Refused: identifier rejected
0x03 Connection Refused: server unavailable
0x04 Connection Refused: bad user name or password
0x05 Connection Refused: not authorized

PUBLISH 发布消息
　　Client/Servier均可以进行PUBLISH。
　　publish message 应该包含一个TopicName(Subject/Channel)，即订阅关键词。

关于Topic通配符

/：用来表示层次，比如a/b，a/b/c。

#：表示匹配>=0个层次，比如a/#就匹配a/，a/b，a/b/c。
单独的一个#表示匹配所有。不允许 a#和a/#/c。

+：表示匹配一个层次，例如a/+匹配a/b，a/c，不匹配a/b/c。
单独的一个+是允许的，a+不允许，a/+/b不允许

PUBACK 发布消息后的确认
　　QoS=1时，Server向Client发布该确认（Client收到确认后删除），订阅者向Server发布确认。
PUBREC / PUBREL / PUBCOMP
　　QoS=2时
　　1. Server->Client发布PUBREC（已收到）；
　　2. Client->Server发布PUBREL（已释放）；
　　3. Server->Client发布PUBCOMP（已完成），Client删除msg；订阅者也会向Server发布类似过程确认。
PINGREQ / PINGRES 心跳
　　Client有责任发送KeepAliveTime时长告诉给Server。在一个时长内，发送PINGREQ，Server发送PINGRES确认。
　　Server在1.5个时长内未收到PINGREQ，就断开连接。
　　Client在1个时长内未收到PINGRES，断开连接。
　　一般来说，时长设置为几个分钟。最大18小时，0表示一直未断开。
Clean Session
　　如果为false(flag=0)，Client断开连接后，Server应该保存Client的订阅信息。
　　如果为true(flag=1)，表示Server应该立刻丢弃任何会话状态信息。

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