MQTT协议设计简介

最新推荐文章于 2025-02-28 14:08:40 发布

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MQTT协议设计简介

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简介

MQTT全称为MQ Telemetry Transport，它是一种轻量级的基于订阅分发的消息协议，适用于慢网络和嵌入式设备通信。MQTT支持一对多的消息分发，提供QoS以保证消息的准确到达，使用TCP作为传输层协议，当前比较流行的版本是3.1。

如今业界已经有很多公司在使用MQTT来构建应用，比如国外的facebook，国内也有很多，比如提供第三方push的云巴等。

MQTT协议设计的比较简洁，没有什么冗余的东西，相信这也是很多公司愿意尝试使用它的原因，至少学习起来并不费太大功夫。

消息设计

MQTT协议的消息最多由两部分构成：固定头部、可变头部和负载。

（1）固定头部MSB；由两个字节构成，第一个字节包含4位消息类型、1位DUP标识、2位Qos等级和1位保留位，第二个字节保存了消息的剩余长度。

MQTT消息类型只有4位来标识，意味着最多不会超过16种，实际上MQTT协议定义了14种消息类型，还有两种是保留类型。简单列举下：

CONNECT(1，连接请求)
CONNACK（2，连接ACK）
PUBLISH（3，发布消息）
PUBACK（4，发布ACK）
PUBREC（5，发布已接受）
PUBREL（6，发布释放）
PUBCOMP（7，发布完成）
SUBSCRIBE（8，订阅）
SUBACK（9，订阅ACK）
UNSUBSCRIBE（10，取消订阅）
UNSUBACK（11，取消订阅ACK）
PINGREQ（12，PING请求）
PINGRESP（13，PING响应）
DISCONNECT（14，断开连接）

DUP标识表示客户端或服务端尝试重发消息（包括PUBLISH、PUBREL、SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE四类消息），如果置为1表示该消息需要进行确认，此时QoS值大于0，且可变头部里需要包含消息ID（16位无符号整型、由客户端维护）。

虽然MQTT协议采用了TCP协议作为传输层来保证报文的可靠性，但为了确保消息能正常被应用接收到，MQTT协议提供了QoS机制，分三种等级：0表示最多发送一次、1表示至少发送一次、2表示确定只有一次。目前QoS只适用于PUBLISH类型。
保留标识也只适用于PUBLISH类型，如果置为1表示服务端需要保存消息直到被订阅者接收。
头部第二个字节保存了消息的剩余长度，包括可变头部和负载的总长度。8位剩余长度由两部分构成：前7位记录消息长度，第8位表示是否还有延续，用来处理长度超过127字节的消息。

MQTT协议严格定义了剩余长度最长为256MB，最长可以用4个字节来表示剩余长度。

具体表示范围：用1个字节表示长度从0（0x00）到127（0x7F），2个字节表示长度从128（0x80,0x01）到16383（0xFF,0x7F），3个字节表示长度从16384（0x80,0x80,0x01）到2097151（0xFF,0xFF,0x7F），4个字节表示长度从2097152（0x80,0x80,0x80,0x01）到268435455（0xFF,0xFF,0xFF,0x7F）。

下面是长度X编码的算法：

    do
      digit = X MOD 128
      X = X DIV 128
      // if there are more digits to encode, set the top bit of this digit
      if ( X > 0 )
        digit = digit OR 0x80
      endif
      'output' digit
    while ( X> 0 )

解码算法：

    multiplier = 1
    value = 0
    do
      digit = 'next digit from stream'
      value += (digit AND 127) * multiplier
      multiplier *= 128
    while ((digit AND 128) != 0)

协议规定剩余长度包含在固定头部中，不计入可变头部，意味着固定长度最少为2个字节，最大为5个字节。

（2）可变头部；可变头部包含有多种信息，规定以以下顺序来保存：
协议名称：协议名称会出现在CONNECT类型消息中，保存的是一串UTF-8编码的字符串"MQIsdp"。

协议版本号：同样也出现在CONNECT类型消息中，记录客户端当前所使用的MQTT协议版本号，如最新的是3（0x03）。

连接标识：包括清空会话、Will、Will QoS和Will retain标识，均会出现在CONNECT类型消息中。简单说明下几个标识的含义：
a、清空会话置为1表示服务端会清空客户端以前的所有信息，置为0表示服务器会保存客户端的状态信息，即使客户端断开连接，服务器会保存QoS为1或2的消息，当客户端重连（清空会话置为0）时服务器会将订阅的消息发送给客户端。
b、Will消息：当服务端与客户端通信时发生I/O错误，或客户端没有在keep alive时间内与服务端通信，此时服务器会向客户端发送Will消息。而当客户端向服务端发送DISCONNECT消息时，服务器不会向客户端发送此类消息。
一旦连接标示中设置了Will标识，Will QoS和Will Retain字段也必须设置。Will QoS用来定义Will消息的QoS等级，Will Retain定义服务器是否保留消息，Will消息包含在CONNECT消息的负载中。

用户名和密码标识，客户端与服务端进行连接时可以提供用户名和密码来验证。当设置了用户名标示时，需要提供用户名信息；若设置了密码标示，则需要指定密码。

Keep Alive定时器出现在CONNECT消息可变头部中，它定义了从客户端收到消息的最大时间间隔，使得服务端不需要等待TCP/IP超时，根据时间间隔来检测客户端是否已断开连接。客户端有义务在该时间段内向服务器发送消息，若没有待发的数据，客户端需要发送PINGREQ消息，等待服务器的PINGRESP消息。
Keep Alive定时器由2个字节构成，存储了最大时间间隔数值。

连接返回代码出现在CONNACK消息可变头部中，由1个字节构成，客户端根据返回代码可以知道是否与服务器连接成功，如果失败也可以知道失败当具体原因。
0x00表示连接成功、0x01表示不支持客户端协议版本号、0x02表示拒绝标示符、0x03表示服务器不可用、0x04表示用户名密码有误、0x05表示未授权。
topic名称，表示数据所发往的信道标识。

（3）负载；CONNECT、SUBSCRIBE和SUBACK消息均包含负载。

CONNECT负载包括客户端唯一ID、也可能包括Will topic、Will消息、用户名和密码。
SUBSCRIBE包含所订阅的topic名称列表，以及QoS等级。
SUBACK包含允许的QoS等级列表。