MQTT协议之固定头

Posted 2023-04-07

参考技术A 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数据包结构如下：
（1）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。
（2）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。
（3）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。

控制报文的类型【7~4bit】：用于标示类型，如：连接(CONNECT)报文，发布(PUBLISH)报文等。他占了四个字节。如：连接报文对应二进制：0001。
制报文类型的标志位：这里包含的内部比较多。分别为：标示发送重复数(DUP)【3bit】 （1字节） 、服务质量 (QoS)[2~1] （2字节）、保留标志(RETAIN)[0]（1字节）。同样子他也占了四个字节

剩余长度（Remaining Length）表示当前报文剩余部分的字节数，包括可变报头和负载的数据。剩余长度不包括用于编码剩余长度字段本身的字节数。
剩余长度字段使用一个变长度编码方案，对小于128的值它使用单字节编码。更大的值按下面的方式处理。低7位有效位用于编码数据，最高有效位用于指示是否有更多的字节，且按照大端方式进行编码。因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位（continuation bit）。剩余长度字段最大4个字节。

例如，十进制数35会被编码为一个字节，数值是35，十六进制表示为0x23,。十进制数字321(=65+2*128)被编码为两个字节，最低有效位在前。第一个字节是 65+128=193。注意最高位为1表示后面至少还有一个字节。第二个字节是2。

十进制数321=0xC1,0x02
注意（上面没看懂的看这）：
还是拿300举例，十进制300 转换成二进制就是100101100，即0x012C。由于100101100 超过7位，已经不能用一个字节表示了（一个字节的最高位是指示位，故一个字节只有7位数据位）。所以我们就要将这个二进制数切割成10 和0101100，然后低位加上一个为1 的符号为成为10101100，即0xAC，然后放在前面，高位的10 直接写在后面，符号为为0，即0x02。
所以，最终十进制的321 化为剩余长度形式就是0xAC,0x02。

https://www.runoob.com/w3cnote/mqtt-intro.html （MQTT简介）

MQTT协议

MQTT介绍

• 一、MQTT介绍
• 二、MQTT协议特点
• 三、MQTT协议原理
• • （1） MQTT协议实现方式
  • （2）网络传输与应用消息
  • （3）MQTT客户端:sub/pub
  • （4）MQTT服务器:broker
  • （5）MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、MQTT介绍

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

二、MQTT协议特点

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

（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，简单来说订阅者发布者可以随意组合。

（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：

1. 最多一次（QoS ==0），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，倘如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
2. 至少一次（QoS ==1），确保消息到达，但消息重复可能会发生。
3. 只有一次（QoS ==2），确保消息到达一次。在一些要求严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。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。

（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。

这就是为什么在介绍里说它非常适合“在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集”，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。

（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。

- **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。

三、MQTT协议原理

（1） MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

• MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

  （1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
  （2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。
  

（2）网络传输与应用消息

MQTT会构建底层的网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的的双向传输。

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，让你自主决定消息发送的质量。

（3）MQTT客户端:sub/pub

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

• （1）发布其他客户端可能会订阅的信息；

• （2）订阅其它客户端发布的消息；

• （3）退订或删除应用程序的消息；

• （4）断开与服务器连接。

（4）MQTT服务器:broker

MQTT服务器以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

• （1）接受来自客户的网络连接；

• （2）接受客户发布的应用信息；

• （3）处理来自客户端的订阅和退订请求；

• （4）向订阅的客户转发应用程序消息。

（5）MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、订阅（Subscription）

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

二、会话（Session）

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

三、主题名（Topic Name）

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

四、主题筛选器（Topic Filter）

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

五、负载（Payload）

消息订阅者所具体接收的内容。
 
六、控制报文（ MQTT Control Packet）

通过网络连接发送的信息数据包。MQTT规范定义了十四种不同类型的控制报文，其中一个（PUBLISH报文）用于传输应用消息。控制报文的类型

这里主要通过其余博客大致了解一番，作为自己的学习笔记，详细请看链接

MQTT_入门