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mqtt协议

MQTT是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议,设计思想是开放、简单、轻量、易于实现。这些特点使它适用于受限环境。例如,但不仅限于此:

  • 网络代价昂贵,带宽低、不可靠。

  • 在嵌入设备中运行,处理器和内存资源有限。

该协议的特点有:

  • 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。

  • 对负载内容屏蔽的消息传输。

  • 使用 TCP/IP 提供网络连接。

  • 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。

  • 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。

  • 使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。


MQTT协议中,一个MQTT数据包由:固定头(Fixed header)、 可变头(Variable header)、 消息体(payload)三部分构成。


MQTT 数据包结构

  • 固定头(Fixed header),存在于所有MQTT数据包中,表示数据包类型及数据包的分组类标识

  • 可变头(Variable header),存在于部分MQTT数据包中,数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容

  • 消息体(Payload),存在于部分MQTT数据包中,表示客户端收到的具体内容


MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中,其结构如下:

Bit76543210
byte 1MQTT数据包类型不同类型MQTT数据包的具体标识
byte 2…剩余长度


1.1 MQTT数据包类型

位置:byte 1, bits 7-4。

相于一个4位的无符号值,类型如下:

名称流方向描述
Reserved0不可用保留位
CONNECT1客户端到服务器客户端请求连接到服务器
CONNACK2服务器到客户端连接确认
PUBLISH3双向发布消息
PUBACK4双向发布确认
PUBREC5双向发布收到(保证第1部分到达)
PUBREL6双赂发布释放(保证第2部分到达)
PUBCOMP7双向发布完成(保证第3部分到达)
SUBSCRIBE8客户端到服务器客户端请求订阅
SUBACK9服务器到客户端订阅确认
UNSUBSCRIBE10客户端到服务器请求取消订阅
UNSUBACK11服务器到客户端取消订阅确认
PINGREQ12客户端到服务器PING请求
PINGRESP13服务器到客户端PING应答
DISCONNECT14客户端到服务器中断连接
Reserved15不可用保留位


1.2 标识位

位置:byte 1, bits 3-0。

在不使用标识位的消息类型中,标识位被做为保留位。如果收到无效的标志时,接收端必须关闭网络连接:

数据包标识位Bit 3Bit 2Bit 1Bit 0
CONNECT保留位0000
CONNACK保留位0000
PUBLISHMQTT 3.1.1使用DUP1QoS2QoS2RETAIN3
PUBACK保留位0000
PUBREC保留位0000
PUBREL保留位0000
PUBCOMP保留位0000
SUBSCRIBE保留位0000
SUBACK保留位0000
UNSUBSCRIBE保留位0000
UNSUBACK保留位0000
PINGREQ保留位0000
PINGRESP保留位0000
DISCONNECT保留位0000
  • DUP:发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输,如果设置为 1,则在下面的变长中增加MessageId,并且需要回复确认,以保证消息传输完成,但不能用于检测消息重复发送。

  • QoS:发布消息的服务质量,即:保证消息传递的次数

    • 00:最多一次,即:<=1

    • 01:至少一次,即:>=1

    • 10:一次,即:=1

    • 11:预留

  • RETAIN: 发布保留标识,表示服务器要保留这次推送的信息,如果有新的订阅者出现,就把这消息推送给它,如果设有那么推送至当前订阅者后释放。



1.3 剩余长度(Remaining Length)

位置:byte 1。

固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的,但不是直接保存的。这一字节是可以扩展,其保存机制,前7位用于保存长度,后一部用做标识。当最后一位为 1时,表示长度不足,需要使用二个字节继续保存。 例如:计算出后面的大小为0


MQTT可变头

MQTT数据包中包含一个可变头,它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同,较常的应用是做为包的标识:

Bit76543210
byte 1包标签符(MSB)
byte 2…包标签符(LSB)

很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段,这些类型的包有:PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK


Payload消息体

Payload消息体位MQTT数据包的第三部分,CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体:

    • CONNECT,消息体内容主要是:客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。

    • SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS

    • SUBACK,消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。


    • UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。