1、MQTT 控制報文格式
MQTT 控制報文的結構
在MQTT協議中，一個MQTT數據包由：固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構成。MQTT數據包結構如下：
（1）固定頭（Fixed header）：存在於所有MQTT數據包中，表示數據包類型及數據包的分組類標識。
（2）可變頭（Variable header）：存在於部分MQTT數據包中，數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容。
（3）消息體（Payload）：存在於部分MQTT數據包中，表示客戶端收到的具體內容。
1.1、 固定報頭
每個 MQTT 控制報文都包含一個固定報頭。固定報頭的格式如下圖所示：
MQTT固定報文頭最少有兩個字節，第一字節包含消息類型（Message Type）和QoS級別等標志位。第二字節開始是剩余長度字段，該長度是后面的可變報文頭加消息負載的總長度，該字段最多允許四個字節。
剩余長度字段單個字節最大值為二進制0b0111 1111，16進制0x7F。也就是說，單個字節可以描述的最大長度是127字節。為什么不是256字節呢？因為MQTT協議規定，單個字節第八位（最高位）若為1，則表示后續還有字節存在，第八位起“延續位”的作用。
例如，數字64，編碼為一個字節，十進制表示為64，十六進制表示為0×40。數字321（65+2*128）編碼為兩個字節，重要性最低的放在前面，第一個字節為65+128=193（0xC1），第二個字節是2（0x02），表示2×128。
由於MQTT協議最多只允許使用四個字節表示剩余長度（如表1），並且最后一字節最大值只能是0x7F不能是0xFF，所以能發送的最大消息長度是256MB，而不是512MB。
（1）MQTT 控制報文的類型
位置：byte1， bit7-bit4。
表示為 4 位無符號值， 這些值的定義見下表---控制報文的類型
| 名字 |
值 |
報文流動方向 |
描述 |
| Reserved |
0 |
禁止 |
保留 |
| CONNECT |
1 |
客戶端到服務端 |
客戶端請求連接服務端 |
| CONNACK |
2 |
服務端到客戶端 |
連接報文確認 |
| PUBLISH |
3 |
兩個方向都允許 |
發布消息 |
| PUBACK |
4 |
兩個方向都允許 |
QoS 1 消息發布收到確認 |
| PUBREC |
5 |
兩個方向都允許 |
發布收到（保證交付第一步） |
| PUBREL |
6 |
兩個方向都允許 |
發布釋放（保證交付第二步）MQTT-3.1.1-CN 15 |
| PUBCOMP |
7 |
兩個方向都允許 |
QoS 2 消息發布完成（保證交互第三步） |
| SUBSCRIBE |
8 |
客戶端到服務端 |
客戶端訂閱請求 |
| SUBACK |
9 |
服務端到客戶端 |
訂閱請求報文確認 |
| UNSUBSCRIBE |
10 |
客戶端到服務端 |
客戶端取消訂閱請求 |
| UNSUBACK |
11 |
服務端到客戶端 |
取消訂閱報文確認 |
| PINGREQ |
12 |
客戶端到服務端 |
心跳請求 |
| PINGRESP |
13 |
服務端到客戶端 |
心跳響應 |
| DISCONNECT |
14 |
客戶端到服務端 |
客戶端斷開連接 |
| Reserved |
15 |
禁止 |
保留 |
固定報文頭中的第一個字節包含連接標志（Connect Flags），連接標志用來區分MQTT的消息類型。MQTT協議擁有14種不同的消息類型，可簡單分為連接及終止、發布和訂閱、QoS 2消息的機制以及各種確認ACK。
（2）、用於指定控制報文類型的標志位
固定報頭第 1 個字節的剩余的 4 位 [3-0]包含每個 MQTT 控制報文類型特定的標志。
表格中任何標記為“保留”的標志位， 都是保留給以后使用的， 必須設置為表格中列出的值 。 在不使用標識位的消息類型中，標識位被作為保留位。如果收到無效的標志時，接收端必須關閉網絡連接。
| 控制報文 |
固定報頭標志 |
Bit 3 |
Bit 2 |
Bit 1 |
Bit 0 |
| CONNECT |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| CONNACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| PUBLISH |
Used in MQTT 3.1.1 |
DUP1 |
QoS2 |
QoS2 |
RETAIN3 |
| PUBACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| PUBREC |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| PUBREL |
Reserved |
0 |
0 |
1 |
0 |
| PUBCOMP |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| SUBSCRIBE |
Reserved |
0 |
0 |
1 |
0 |
| SUBACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| UNSUBSCRIBE |
Reserved |
0 |
0 |
1 |
0 |
| UNSUBACK |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| PINGREQ |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| PINGRESP |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
| DISCONNECT |
Reserved |
0 |
0 |
0 |
0 |
DUP：發布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設置為1，則在下面的變長中增加MessageId，並且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用於檢測消息重復發送。
QoS：發布消息的服務質量，即：保證消息傳遞的次數
00：最多一次(QoS==0)，即：<=1。消息發布完全依賴底層 TCP/IP 網絡。協議里沒有定義應答和重試，會發生消息丟失或重復。消息要么只會到達服務端一次，要么根本沒有到達。這一級別可用於如下情況，環境傳感器數據，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久后還會有第二次發送。
01：至少一次(QoS==1)，即：>=1。確保消息到達，但消息重復可能會發生。服務器的消息接收由PUBACK消息進行確認，如果通信鏈路或發送設備異常，或者指定時間內沒有收到確認消息，發送端會重發這條在消息頭中設置了DUP位的消息。
10：只有一次(QoS==2)，即：=1。確保消息到達一次。這是最高級別的消息傳遞，消息丟失和重復都是不可接受的，使用這個服務質量等級會有額外的開銷。 這一級別可用於如下情況，在計費系統中，消息重復或丟失會導致不正確的結果。小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是 2 字節），協議交換最小化，以降低網絡流量。
11：預留
比如目前流行的共享單車智能鎖，智能鎖可以定時使用QoS level 0質量消息請求服務器，發送單車的當前位置，如果服務器沒收到也沒關系，反正過一段時間又會再發送一次。之后用戶可以通過App查詢周圍單車位置，找到單車后需要進行解鎖，這時候可以使用QoS level 1質量消息，手機App不斷的發送解鎖消息給單車鎖，確保有一次消息能達到以解鎖單車。最后用戶用完單車后，需要提交付款表單，可以使用QoS level 2質量消息，這樣確保只傳遞一次數據，否則用戶就會多付錢了。
RETAIN： 發布保留標識，表示服務器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現，就把這消息推送給它，如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。
（3）、 剩余長度
位置： 從第 2 個字節開始。
固定頭的第二字節用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節是可以擴展，其保存機制，前7位用於保存長度，后一部用做標識。當最后一位為1時，表示長度不足，需要使用二個字節繼續保存。例如：計算出后面的大小為0
剩余長度（Remaining Length） 表示當前報文剩余部分的字節數， 包括可變報頭和負載的數據。 剩余長度不包括用於編碼剩余長度字段本身的字節數。
剩余長度字段使用一個變長度編碼方案， 對小於 128 的值它使用單字節編碼。 更大的值按下面的方式處理。低 7 位有效位用於編碼數據，最高有效位用於指示是否有更多的字節。 因此每個字節可以編碼 128 個數值和一個延續位（continuation bit） 。 剩余長度字段最大 4 個字節。
非規范評注：例如， 十進制數 64 會被編碼為一個字節， 數值是 64， 十六進制表示為 0x40,。十進制數字321(=65+2*128)被編碼為兩個字節， 最低有效位在前。 第一個字節是 65+128=193。 注意最高位為1 表示后面至少還有一個字節。 第二個字節是 2。
非規范評注：這允許應用發送最大 256MB(268,435,455)大小的控制報文。這個數值在報文中的表示是：0xFF,0xFF,0xFF,0x7F。
表格 剩余長度字段的大小
1.2、可變報頭
可變報文頭主要包含協議名、協議版本、連接標志（Connect Flags）、心跳間隔時間（Keep Alive timer）、連接返回碼（Connect Return Code）、主題名（Topic Name）等。
某些 MQTT 控制報文包含一個可變報頭部分。 它在固定報頭和負載之間。可變報頭的內容根據報文類型的不同而不同。可變報頭的報文標識符（Packet Identifier） 字段存在於在多個類型的報文里。
（1） 報文標識符
（2）遺願標志（Will Flag）
在可變報文頭的連接標志位字段（Connect Flags）里有三個Will標志位：Will Flag、Will QoS和Will Retain Flag，這些Will字段用於監控客戶端與服務器之間的連接狀況。如果設置了Will Flag，就必須設置Will QoS和Will Retain標志位，消息主體中也必須有Will Topic和Will Message字段。
那遺願消息是怎么回事呢？服務器與客戶端通信時，當遇到異常或客戶端心跳超時的情況，MQTT服務器會替客戶端發布一個Will消息。當然如果服務器收到來自客戶端的DISCONNECT消息，則不會觸發Will消息的發送。
因此，Will字段可以應用於設備掉線后需要通知用戶的場景。
（3）連接保活心跳機制（Keep Alive Timer）
MQTT客戶端可以設置一個心跳間隔時間（Keep Alive Timer），表示在每個心跳間隔時間內發送一條消息。如果在這個時間周期內，沒有業務數據相關的消息，客戶端會發一個PINGREQ消息，相應的，服務器會返回一個PINGRESP消息進行確認。如果服務器在一個半（1.5）心跳間隔時間周期內沒有收到來自客戶端的消息，就會斷開與客戶端的連接。心跳間隔時間最大值大約可以設置為18個小時，0值意味着客戶端不斷開。
1.3、有效載荷（Payload）
Payload直譯為負荷，可能讓人摸不着頭腦，實際上可以理解為消息主體（body）。
當MQTT發送的消息類型是CONNECT（連接）、PUBLISH（發布）、SUBSCRIBE（訂閱）、SUBACK（訂閱確認）、UNSUBSCRIBE（取消訂閱）時，則會帶有負荷。
某些 MQTT 控制報文在報文的最后部分包含一個有效載荷。 對於 PUBLISH 來說有效載荷就是應用消息。
下面表格包含有效載荷的控制報文 列出了需要有效載荷的控制報文。
