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MQTT协议报文详解（保姆级）
2025-03-18 17:35:37
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MQTT的角色
在MQTT通讯过程中，有三种身份，分别是发布者（publisher）、代理（broker）、和订阅者（subscriber）。
在MQTT客户端的作用
发布其他客户端会订阅的信息
订阅其它客户端发布的消息
退订或删除应用程序的消息
断开与服务器连接。
MQTT服务器的作用
接受来自客户的网络连接
向订阅的客户转发应用程序消息
常用的服务器搭建平台：Eclipse Mosquitto、EMQX、HiveMQ
MQTT传输的消息
分为主题（topic）和负载（payload）两部分：
Topic，为消息的类型，是由客户端发布时指定的，当另外一个客户端订阅（subscribe）主题后，就会收到该主题的消息内容（payload）。
payload当然就是内容了，它和主题一样都存在数据包（packet）中。
MQTT消息的质量
当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。
QoS在MQTT中有（摘自MQ 遥测传输 (MQTT) V3.1 协议规范）：
qos 0
“至多一次”，由于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。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。
qos 1
“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
qos 2
“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。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。
MQTT.js只是支持了MQTT协议，并没有支持QoS，也就是说，只支持最低级别的“至多一次”（QoS0）。
使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制
Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。 Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。
报文结构
在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
固定头存在于所有MQTT数据包中 固定头包含两部分内容： 首字节(字节1)、 剩余消息报文长度(从第二个字节开始，长度为1-4字节) 剩余长度是当前包中剩余内容长度的字节数，包括变量头和有效负载中的数据)。剩余长度不包含用来编码剩余长度的字节。 剩余长度使用了一种可变长度的结构来编码，这种结构使用单一字节表示0-127的值。大于127的值如下处理。每个字节的低7位用来编码数据，最高位用来表示是否还有后续字节。因此每个字节可以编码128个值，再加上一个标识位。剩余长度最多可以用四个字节来表示。 数据包类型 位置: 第一个字节(Byte 1)中的7-4个bit,标识4位无符号值
其中Bit 3为DUP字段，如果该值为1，表明这个数据包是一条重复的消息；否则该数据包就是第一次发布的消息
Bit 1-2 为QoS字段:
如果Bit 1 和 Bit 2都为0，表示QoS 0: 至多一次；
如果Bit 1为1, 表示QoS 1: 至少一次；
如果Bit 2为1，表示QoS 2：只有一次；
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。
MQTT消息QoS
MQTT发布消息服务质量保证(QoS)不是端到端的，是客户端与服务端之间的。订阅者收到MQTT消息的QoS级别，最终取决于发布消息的QoS和主题订阅的QoS
QoS: 服务质量是指 客户端和服务端之间的服务质量
4-7位
可变头
可变头的意思是可变化的消息头部。有些报文类型包含可变头部有些报文则不包含。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
首先最上面的8个字节是Protocol Name(编码名)，UTF编码的字符“MQIsdp”，头两个是编码名提长为6。头两个字节表示下一部分的长，然后后面跟上内容。这里头两个字节长为6，下面跟6个字符“MQIsdp”。
Protocol Version，协议版本号，v3 也是固定的。
Connect Flag，连接标识，有点像固定头部的。8位分别代表不同的标志。第1个字节保留。
Clean Session,Will flag，Will Qos, Will Retain都是相对于CONNECT消息来说的。
Clean Session:
0表示如果订阅的客户机断线了，那么要保存其要推送的消息，如果其重新连接时，则将这些消息推送。 1表示消除，表示客户机是第一次连接，消息所以以前的连接信息。
Will Flag
表示如果客户机在不是在发送DISCONNECT消息中断，比如IO错误等，将些置为1,要求重传。并且下且的WillQos和WillRetain也要设置，消息体中的Topic和MessageID也要设置，就是表示发生了错误，要重传。
Will Qos
在CONNECT非正常情况下设置，一般如果标识了WillFlag，那么这个位置也要标识。
Will RETAIN
同样在CONNECT中，如果标识了WillFlag,那么些位也一定要标识 usename flag和passwordflag，用来标识是否在消息体中传递用户和密码，只有标识了，消息体中的用户名和密码才用效，只标记密码而不标记用户名是不合法的。
4.Keep Alive，表示响应时间，如果这个时间内，连接或发送操作未完成，则断开tcp连接，表示离线。 5.Connect Return Code即通常于CONNACK消息中，表示返回的连接情况，我可以通过此检验连接情况。
6.Topic Name， 订阅消息标识，MQTT是基于订阅/发布的消息，那么这个就是消息订阅的标识，像新闻客户端里的订阅不同的栏目一样。用于区别消息的推送类别。 主要用于PUBLISH和SUBSCRIBE中。最大可支持32767个字符，即4个字节。
7.Message Identifier
包含于PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK. 其为16位字符表示，用于在Qos为1或2时标识Message的，保证Message传输的可靠性。
消息体（PayLoad）
payload消息体包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：
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。
MQTT协议规定的方法
（1）Connect 与服务器建立连接。
（2）Disconnect 与服务器断开TCP/IP会话。
（3）Subscribe 订阅。
（4）UnSubscribe 取消订阅。
（5）Publish 发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程
作者声明本文无利益相关，欢迎值友理性交流，和谐讨论～
