转战物联网·基础篇07-深入理解MQTT协议之控制报文（数据包）格式

  在MQTT协议中，一个控制报文（数据包）的结构按照前后顺序分如下三部分：

结构名	中文名	解释说明
Fixed header	固定报头	报文的最开始部分，所有报文都包含这个部分
Variable header	可变报头	固定报文的附加部分，有些报文没有这个部分
Payload	有效载荷	需要携带的信息内容，有些报文没有这个部分

  下图是MQTT控制报文（数据包）格式的结构示意图：

1、固定报头(Fixed header)：

  固定报头存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及控制类标志等。固定报头由至少2个字节组成，格式如下：

Bit（位号）	7	6	5	4	3	2	1	0
Byte1（第一个字节）	组合代表MQTT控制报文（数据包）的类型				控制报文的标志位(Flags)，可理解为一种属性参数
Byte2（第二个字节起）	剩余长度，当前报文剩余部分的字节数，包括可变报头和有效负载

1.1、控制报文类型(Control Packet type)：

  固定报头第一个字节的高四位（7-4号位）是代表控制报文的类型，也就是这个数据包是做什么用的。是用7-4号位的二进制（也就是1111--0000之间）组合值，来代表具体的含义，见下表：

7-4号位	十进制值	报文类型	报文允许发起方向	报文描述
0000	0	Reserved	禁止	保留，不可用
0001	1	CONNECT	客户端―→服务端	客户端请求连接到服务端的代理服务
0010	2	CONNACK	客户端←―服务端	连接请求的回复确认报文
0011	3	PUBLISH	客户端←→服务端	发布主题消息
0100	4	PUBACK	客户端←→服务端	发布确认，是QoS=1时，对 PUBLISH 的响应确认
0101	5	PUBREC	客户端←→服务端	发布收到，是QoS=2时，对 PUBLISH 的响应确认，是QoS=2实现的第一步
0110	6	PUBREL	客户端←→服务端	发布释放，是QoS=2时，对 PUBREC 的响应确认，是QoS=2实现的第二步
0111	7	PUBCOMP	客户端←→服务端	发布完成，是QoS=2时，对 PUBREL 的响应确认，是QoS=2实现的第三步
1000	8	SUBSCRIBE	客户端―→服务端	客户端订阅主题，可一次订阅一个或多个主题（使用通配符）
1001	9	SUBACK	客户端←―服务端	订阅完成确认，是对 SUBSCRIBE 的响应确认
1010	10	UNSUBSCRIBE	客户端―→服务端	取消订阅，客户端发起的取消对某个主题的订阅
1011	11	UNSUBACK	客户端←―服务端	取消订阅确认，是对 UNSUBSCRIBE 的响应确认
1100	12	PINGREQ	客户端―→服务端	心跳，表示这个数据包是为通知服务端客户端还在正常连接着
1101	13	PINGRESP	客户端←―服务端	心跳响应，表示服务端已经成功收到了客户端的心跳
1110	14	DISCONNECT	客户端―→服务端	断开连接，客户端通知服务端，需要断开当前网络连接
1111	15	Reserved	禁止	保留，不可用

1.2、标志(Flags)：

  固定报头第1个字节的低4位 （3-0号位）包含每个MQTT控制报文类型特定的标志，必须与控制报文类型配套对应使用，否则服务端代理服务会拒绝服务或断开连接。具体的见下表（保留的标志必须按照表中的值设置）：

报文类型	标志类型	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0
CONNECT	保留	0	0	0	0
CONNACK	保留	0	0	0	0
PUBLISH	使用	是否为重复发	服务质量高位	服务质量低位	是否保存消息
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
UNSUBSCRIBE	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

  注：关于用“是否”描述的实际就是布尔类型，0表示否，1表示是；

1.3、第一字节各类型报文具体值：

  固定报头报文类型高4位和标志位的低4位综合起来，最终第一个字节是有一个具体值的。为了更好的理解第一个字节的具体值是怎样得出来的，在下表列出了不同类型的报文及某个报文不同标志时的具体值：

报文类型	标志作用	二进制值	10进制值	16进制值
CONNECT	连接服务端	00010000	16	0x10
CONNACK	连接成功确认	00100000	32	0x20
PUBLISH	新发布等级0不保存	00110000	48	0x30
PUBLISH	新发布等级0需保存	00110001	49	0x31
PUBLISH	新发布等级1不保存	00110010	50	0x32
PUBLISH	新发布等级1需保存	00110011	51	0x33
PUBLISH	新发布等级2不保存	00110100	52	0x34
PUBLISH	新发布等级2需保存	00110001	53	0x35
PUBLISH	重发等级2不保存	00111000	56	0x38
PUBLISH	重发等级2需保存	00111001	57	0x39
PUBACK	等级1发布成功	01000000	64	0x40
PUBREC	等级2发布收到	01010000	80	0x50
PUBREL	等级2发布释放	01100010	98	0x62
PUBCOMP	等级2发布完成	01110000	112	0x70
SUBSCRIBE	订阅主题	10000010	130	0x82
SUBACK	订阅完成确认	10010000	144	0x90
UNSUBSCRIBE	取消订阅	10100010	162	0xA2
UNSUBACK	取消完成确认	10110000	176	0xB0
PINGREQ	心跳包	11000000	192	0xC0
PINGRESP	心跳回复	11010000	208	0xD0
DISCONNECT	断开网络连接	11100000	224	0xE0

  注：关于发布主题还有其他情况这里就没有全部列出，根据表中的规律就可以计算出实际的值了。

1.3、剩余长度(Remaining Length)：

  剩余长度是从第二个字节开始，最多允许占用四个字节。描述本次传送的应用消息在剩余长度字节之后（不包括剩余长度字节本身）还有多少个字节，包括可变报头（有的报文没有这部分） + 有效载荷（有的报文没有这部分）的所有字节数量。

  根据上面描述，剩余长度属于变长的编码规则，也就是它可能是1-4个字节中的任何一种情况，那么怎样知道当前这个报文的剩余长度是占用了几个字节的呢？如果不能确定，那么接收方就无法正确解析数据了。所以MQTT协议规定剩余长度的每个字节的最高位（也就是7号位）作为是否还有下一个字节剩余长度的标志位，不做长度数值的表述位。这样每给剩余长度字节最大代表长度值就是127（二进制 1111111 的值）了，因为只有7个位表示长度了。向后每增加一个字节都代表前一个字节满值再加1的倍数，四个字节的剩余长度代表的长度值最大可为268435455。

  如果剩余长度值不大于127，则只用一个字节表示，例如121，则剩余长度字节的二进制是01111001，含义见下表：

7号位	6-0号位
0	1111001
接下来没有剩余长度字节了	剩余长度是：121

  如果剩余长度值大于127小于16384，则需用两个字节表示，例如15971，则剩余长度两字节具体值则是0xE3 0x7C（11100011 01111100），含义见下表：

1字节7号位	1字节6-0号位	2字节7号位	2字节6-0号位
1	1100011	0	1111100
后面还有字节描述长度	本子节描述长度：99	后面没有长度字节了	本字节描述长度：124 * 128 = 15872

  两个字节代表的长度值相加 99 + 15872 = 15971，这既是完整的剩余长度值了。后面这个字节每增加1，则代表剩余长度值增加128。也就是前面字节的低7位值满都为1（127）再加1，就到后面字节加1，前面字节低7位归0。再加满再到后面字节加1，以此类推。所以两个字节可以表述的最大值是（11111111 01111111）127+(127*128) = 16383。
  由于使用了两个字节表述剩余长度，那么前面的字节的最高位7号位就要置1，以告诉解析程序后面的字节还要按照剩余长度来计算。

  如果剩余长度值大于16383小于2097152，则需用三个字节表示，例如2097150，则剩余长度三字节具体值则是0xFE 0xFF 0x7F（11111110 11111111 01111111），含义见下表：

1字节7号位	1字节6-0号位	2字节7号位	2字节6-0号位	3字节7号位	3字节6-0号位
1	1111110	1	1111111	0	1111111
还有长度字节	长度：126	还有长度字节	长度：127 * 128 = 16256	长度最后字节	长度：127 * 16384 = 2080768

  三个字节代表的长度值相加 126 + 16256 + 2080768 = 2097150，这既是完整的剩余长度值了。3字节每增加1，则代表剩余长度值增加16384，即前两个字节满值再加1。四字节的原理也是这样向后推导，这里就不再列举了。

  剩余长度使用1-4个字节可以描述的长度范围见下表：

字节数	最小值10/16进制	最小值2进制		最大值10/16进制	最大值2进制
1	0(0x00)	00000000		127(0x7F)	01111111
2	128(0x80,0x01)	10000000 00000001		16383(0xFF,0x7F)	11111111 01111111
3	16384(0x80,0x80,0x01)	10000000 10000000 00000001		2097151(0xFF,0xFF,0x7F)	11111111 11111111 01111111
4	2097152(0x80,0x80,0x80,0x01)	10000000 10000000 10000000 00000001		268435455(0xFF,0xFF,0xFF,0x7F)	11111111 11111111 11111111 01111111

2、可变报头(Variable header)：

  可变报头在固定报头与有效负载之间，不是所有的报文都有可变报头。报文类型不同可变报头的内容也不同。后面会对各报文的可变报头逐一讨论。某些类型的报文中的可变报头还包含报文标识符（Packet Identifier）字段。

2.1、报文标识符(Packet Identifier)：

  报文标识符，一定程度上相当于是每个报文的唯一ID，用于识别报文身份的。重复发送报文时，必须使用相同的报文标识符。在需要应答的控制报文里，标识符可以区分是应答的哪个报文。某些控制报文的可变报头部分包含一个两字节的报文标识符字段。这些报文分别是PUBLISH（QoS > 0时）， PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE, SUBACK，UNSUBSCRIBE，UNSUBACK。
  需要使用标识符的报文，发送方在每次发送一个新的报文时，必须分配一个没有使用过的报文标识符。报文标识符固定使用两个字节，按照双字节读值可用范围是0-65535（00000000 00000000 -- 11111111 11111111）。

3、有效载荷(Payload)：

在一些需要携带用户自定义的应用消息的MQTT控制报文中，会将这些信息放在报文的最后部分，称之为有效载荷。对于PUBLISH来说有效载荷就是应用消息。不同的控制报文有效载荷内容不同，后面会在分别介绍控制报文时具体讨论。下表列出哪些控制报文有包含有效载荷：

控制报文	有效载荷
CONNECT	需要
CONNACK	不 需要
PUBLISH	可选，可以零长度
PUBACK	不需要
PUBREC	不需要
PUBREL	不需要
PUBCOMP	不需要
SUBSCRIBE	需要
SUBACK	需要
UNSUBSCRIBE	需要
UNSUBACK	不需要
PINGREQ	不需要
PINGRESP	不需要
DISCONNECT	不需要

  本节完，待续......