MQTT 控制报文简介

插图：© IoT For All --> MQTT 控制数据包是 MQTT 中数据传输的最小单位。MQTT 客户端和服务器通过交换控制数据包来执行各种任务，例如订阅主题和发布消息。目前，MQTT 定义了 15 种类型的控制数据包。如果我们根据其功能对它们进行分类，可以将这些数据包分为三类：连接、发布和订阅。EMQ Technologies 其中，CONNECT 数据包用于客户端发起与服务器的连接，CONNACK 数据包作为响应，用于指示连接结果。如果希望终止通信或遇到需要断开连接的错误，客户端和服务器可以发送 DISCONNECT 数据包，然后关闭网络连接。AUTH 数据包是 MQTT 5.0 引入的新类型数据包，专门用于增强认证，为客户端和服务器提供更安全的认证方式。PINGREQ 和 PINGRESP 数据包用于连接保活和探测。客户端定期发送 PINGREQ 数据包到服务器，表示自己仍然活跃，并根据服务器是否及时返回 PINGRESP 数据包判断服务器是否活跃。PUBLISH 数据包用于发布消息，其余四个数据包用于确认 QoS 1 和 QoS 2 消息。SUBSCRIBE 数据包用于客户端订阅主题，UNSUBSCRIBE 数据包则用于取消订阅。SUBACK 和 UNSUBACK 数据包分别用于返回订阅和取消订阅的结果。MQTT 数据包格式 在 MQTT 中，无论控制数据包的类型如何，它们都由三个部分组成：固定头（Fixed Header）、可变头（Variable Header）和负载（Payload）。固定头在所有控制数据包中始终存在。可变头和负载的存在与否及其内容则取决于具体的数据包类型。例如，用于保活的 PINGREQ 数据包仅包含固定头，而用于传输应用消息的 PUBLISH 数据包则包含全部三个部分。EMQ Technologies 固定头 固定头由三个字段组成：MQTT 控制数据包类型、标志（Flags）和剩余长度（Remaining Length）。EMQ Technologies MQTT 控制数据包类型位于固定头第一个字节的高 4 位中。它是一个无符号整数，表示当前数据包的类型。例如，1 表示 CONNECT 数据包，2 表示 CONNACK 数据包，依此类推。详细的映射关系可以参考《MQTT 5.0 规范 – MQTT 控制数据包类型》。实际上，除了 MQTT 控制数据包类型和剩余长度字段外，其余部分的内容取决于具体的包类型。因此，该字段决定了接收方如何解析数据包的后续内容。固定头第一个字节的低 4 位包含由控制数据包类型决定的标志位。然而，截至 MQTT 5.0，只有 PUBLISH 数据包中的这四个位具有特定含义：第 3 位：DUP，表示当前的 PUBLISH 数据包是否为重传数据包。第 2、1 位 QoS，表示当前的 PUBLISH 数据包所使用的服务质量等级。第 0 位：Retain，表示当前的 PUBLISH 数据包是否为保留消息。在所有其他数据包类型中，这 4 位是预留的，意味着它们具有固定值，不能随意更改。最后的剩余长度字段表示控制数据包剩余部分的字节数，其中包括可变头和负载。因此，MQTT 控制数据包的总长度等于固定头的长度加上剩余长度。EMQ Technologies 可变字节整数 然而，固定头的长度并不是固定的。为了尽可能减小数据包的大小，MQTT 使用剩余长度字段作为可变字节整数。在 MQTT 中，有很多字段的长度是可变的。例如，PUBLISH 数据包中的负载部分用于承载实际的应用消息，而应用消息的长度并不固定。因此，我们需要一个额外字段来指示这些可变长度内容的长度，以便接收端能够正确解析它们。对于一个总长度为 2,097,152 字节（即 2MB）的应用消息，我们需要一个 4 字节的整数来指示其长度。然而，并非所有应用消息都如此庞大；在许多情况下，它们仅是几 KB，甚至只有几个字节。用 4 字节的整数来指示一个长度仅为 2 字节的消息显然过于浪费。因此，MQTT 引入了可变字节整数，利用每个字节的低 7 位来编码数据，而最高位则指示是否还有后续字节。这样一来，当数据包长度小于 128 字节时，可变字节整数只需要一个字节即可表示。可变字节整数的最大长度为 4 字节，可以表示最多 (2^28 – 1) 字节，即 256MB 的数据。EMQ Technologies 可变头 MQTT 中的可变头内容取决于具体的包类型。例如，CONNECT 数据包的可变头依次包括协议名称、协议级别、连接标志、保活时间和属性。PUBLISH 数据包的可变头依次包括主题名、包标识符（如果 QoS 不为 0）和属性。EMQ Technologies 可变头中的字段必须严格按照协议规范排列，因为接收方只能按照指定的顺序解析它们。除非协议明确要求或允许，否则不能省略任何字段。例如，在 CONNECT 数据包的可变头中，若连接标志紧跟在协议名称之后，会导致解析失败。同样，在 PUBLISH 数据包的可变头中，只有在 QoS 不为 0 时，包标识符才会出现。属性 属性是 MQTT 5.0 引入的一个概念，是可变头的最后部分。属性由属性长度字段后接一组属性组成。属性长度字段用于指示后续所有属性的总长度。EMQ Technologies 所有属性都是可选的，因为它们通常具有默认值。如果没有属性，则属性长度字段的值为 0。每个属性由一个定义其用途和数据类型的标识符和一个具体值组成。不同的属性可能有不同的数据类型。例如，一个是两字节的整数，另一个是 UTF-8 编码的字符串，因此我们需要根据标识符声明的数据类型来解析属性。EMQ Technologies 属性的顺序可以是任意的，因为我们可以通过标识符知道属性的种类及其长度。属性通常是为了特定用途设计的。例如，CONNECT 数据包有一个 Session Expiry Interval 属性，用于设置会话的过期时间。然而，这个属性在 PUBLISH 数据包中并不需要。因此，MQTT 对属性的使用范围有严格定义，有效的 MQTT 控制数据包不应包含不属于它的属性。关于 MQTT 属性的完整列表，包括其标识符、属性名称、数据类型和使用范围，请参考《MQTT 5.0 规范 – 属性》。负载 最后，我们来看负载部分。数据包的可变头可以看作是其附加信息，而负载则用于实现数据包的核心功能。例如，在 PUBLISH 数据包中，负载用于承载实际的应用消息，这是 PUBLISH 数据包的主要功能。PUBLISH 数据包的可变头中的 QoS、Retain 等字段提供了与应用消息相关的附加功能。SUBSCRIBE 数据包遵循类似的模式。负载部分包含要订阅的主题及其对应的订阅选项，这是 SUBSCRIBE 数据包的主要任务。TweetShareShareEmail 数据分析 MQTT 网络与协议 --> 数据分析 MQTT 网络与协议