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转战物联网·基础篇07-深入理解MQTT协议之控制报文(数据包)格式
来源:cnblogs  作者:学为所用  时间:2019/7/24 8:38:10  对本文有异议

在MQTT协议中,一个控制报文(数据包)的结构按照前后顺序分如下三部分:

结构名 中文名 解释说明
Fixed header 固定报头 报文的最开始部分,所有报文都包含这个部分
Variable header 可变报头 固定报文的附加部分,有些报文没有这个部分
Payload 有效载荷 需要携带的信息内容,有些报文没有这个部分

下图是MQTT控制报文(数据包)格式的结构示意图:

1、固定报头(Fixed header):

固定报头存在于所有MQTT数据包中,表示数据包类型及控制类标志等。固定报头由至少2个字节组成,格式如下:

Bit(位号)76543210
Byte1(第一个字节) 组合代表MQTT控制报文(数据包)的类型 控制报文的标志位(Flags),可理解为一种属性参数
Byte2(第二个字节起) 剩余长度,当前报文剩余部分的字节数,包括可变报头和有效负载

1.1、控制报文类型(Control Packet type):

固定报头第一个字节的高四位(7-4号位)是代表控制报文的类型,也就是这个数据包是做什么用的。是用7-4号位的二进制(也就是1111--0000之间)组合值,来代表具体的含义,见下表:

7-4号位 十进制值 报文类型 报文允许发起方向 报文描述
0000 0 Reserved 禁止 保留,不可用
0001 1 CONNECT 客户端―→服务端 客户端请求连接到服务端的代理服务
0010 2 CONNACK 客户端←―服务端 连接请求的回复确认报文
0011 3 PUBLISH 客户端←→服务端 发布主题消息
0100 4 PUBACK 客户端←→服务端 发布确认,是QoS=1时,对 PUBLISH 的响应确认
0101 5 PUBREC 客户端←→服务端 发布收到,是QoS=2时,对 PUBLISH 的响应确认,是QoS=2实现的第一步
0110 6 PUBREL 客户端←→服务端 发布释放,是QoS=2时,对 PUBREC 的响应确认,是QoS=2实现的第二步
0111 7 PUBCOMP 客户端←→服务端 发布完成,是QoS=2时,对 PUBREL 的响应确认,是QoS=2实现的第三步
1000 8 SUBSCRIBE 客户端―→服务端 客户端订阅主题,可一次订阅一个或多个主题(使用通配符)
1001 9 SUBACK 客户端←―服务端 订阅完成确认,是对 SUBSCRIBE 的响应确认
1010 10 UNSUBSCRIBE 客户端―→服务端 取消订阅,客户端发起的取消对某个主题的订阅
1011 11 UNSUBACK 客户端←―服务端 取消订阅确认,是对 UNSUBSCRIBE 的响应确认
1100 12 PINGREQ 客户端―→服务端 心跳,表示这个数据包是为通知服务端客户端还在正常连接着
1101 13 PINGRESP 客户端←―服务端 心跳响应,表示服务端已经成功收到了客户端的心跳
1110 14 DISCONNECT 客户端―→服务端 断开连接,客户端通知服务端,需要断开当前网络连接
1111 15 Reserved 禁止 保留,不可用

1.2、标志(Flags):

固定报头第1个字节的低4位 (3-0号位)包含每个MQTT控制报文类型特定的标志,必须与控制报文类型配套对应使用,否则服务端代理服务会拒绝服务或断开连接。具体的见下表(保留的标志必须按照表中的值设置):

报文类型 标志类型 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0
CONNECT 保留 0 0 0 0
CONNACK 保留 0 0 0 0
PUBLISH 使用 是否为重复发 服务质量高位 服务质量低位 是否保存消息
PUBACK 保留 0 0 0 0
PUBREC 保留 0 0 0 0
PUBREL 保留 0 0 1 0
PUBCOMP 保留 0 0 0 0
SUBSCRIBE 保留 0 0 1 0
SUBACK 保留 0 0 0 0
UNSUBSCRIBE 保留 0 0 1 0
UNSUBACK 保留 0 0 0 0
PINGREQ 保留 0 0 0 0
PINGRESP 保留 0 0 0 0
DISCONNECT 保留 0 0 0 0

注:关于用“是否”描述的实际就是布尔类型,0表示否,1表示是;

1.3、第一字节各类型报文具体值:

固定报头报文类型高4位和标志位的低4位综合起来,最终第一个字节是有一个具体值的。为了更好的理解第一个字节的具体值是怎样得出来的,在下表列出了不同类型的报文及某个报文不同标志时的具体值:

报文类型 标志作用 二进制值 10进制值 16进制值
CONNECT 连接服务端 00010000 16 0x10
CONNACK 连接成功确认 00100000 32 0x20
PUBLISH 新发布等级0不保存 00110000 48 0x30
PUBLISH 新发布等级0需保存 00110001 49 0x31
PUBLISH 新发布等级1不保存 00110010 50 0x32
PUBLISH 新发布等级1需保存 00110011 51 0x33
PUBLISH 新发布等级2不保存 00110100 52 0x34
PUBLISH 新发布等级2需保存 00110001 53 0x35
PUBLISH 重发等级2不保存 00111000 56 0x38
PUBLISH 重发等级2需保存 00111001 57 0x39
PUBACK 等级1发布成功 01000000 64 0x40
PUBREC 等级2发布收到 01010000 80 0x50
PUBREL 等级2发布释放 01100010 98 0x62
PUBCOMP 等级2发布完成 01110000 112 0x70
SUBSCRIBE 订阅主题 10000010 130 0x82
SUBACK 订阅完成确认 10010000 144 0x90
UNSUBSCRIBE 取消订阅 10100010 162 0xA2
UNSUBACK 取消完成确认 10110000 176 0xB0
PINGREQ 心跳包 11000000 192 0xC0
PINGRESP 心跳回复 11010000 208 0xD0
DISCONNECT 断开网络连接 11100000 224 0xE0

注:关于发布主题还有其他情况这里就没有全部列出,根据表中的规律就可以计算出实际的值了。

1.3、剩余长度(Remaining Length):

剩余长度是从第二个字节开始,最多允许占用四个字节。描述本次传送的应用消息在剩余长度字节之后(不包括剩余长度字节本身)还有多少个字节,包括可变报头(有的报文没有这部分) + 有效载荷(有的报文没有这部分)的所有字节数量。

根据上面描述,剩余长度属于变长的编码规则,也就是它可能是1-4个字节中的任何一种情况,那么怎样知道当前这个报文的剩余长度是占用了几个字节的呢?如果不能确定,那么接收方就无法正确解析数据了。所以MQTT协议规定剩余长度的每个字节的最高位(也就是7号位)作为是否还有下一个字节剩余长度的标志位,不做长度数值的表述位。这样每给剩余长度字节最大代表长度值就是127(二进制 1111111 的值)了,因为只有7个位表示长度了。向后每增加一个字节都代表前一个字节满值再加1的倍数,四个字节的剩余长度代表的长度值最大可为268435455。

如果剩余长度值不大于127,则只用一个字节表示,例如121,则剩余长度字节的二进制是01111001,含义见下表:

7号位 6-0号位
0 1111001
接下来没有剩余长度字节了 剩余长度是:121

如果剩余长度值大于127小于16384,则需用两个字节表示,例如15971,则剩余长度两字节具体值则是0xE3 0x7C(11100011 01111100),含义见下表:

1字节7号位 1字节6-0号位 2字节7号位 2字节6-0号位
1 1100011 0 1111100
后面还有字节描述长度 本子节描述长度:99 后面没有长度字节了 本字节描述长度:124 * 128 = 15872

两个字节代表的长度值相加 99 + 15872 = 15971,这既是完整的剩余长度值了。后面这个字节每增加1,则代表剩余长度值增加128。也就是前面字节的低7位值满都为1(127)再加1,就到后面字节加1,前面字节低7位归0。再加满再到后面字节加1,以此类推。所以两个字节可以表述的最大值是(11111111 01111111)127+(127*128) = 16383。
??由于使用了两个字节表述剩余长度,那么前面的字节的最高位7号位就要置1,以告诉解析程序后面的字节还要按照剩余长度来计算。

如果剩余长度值大于16383小于2097152,则需用三个字节表示,例如2097150,则剩余长度三字节具体值则是0xFE 0xFF 0x7F(11111110 11111111 01111111),含义见下表:

1字节7号位 1字节6-0号位 2字节7号位 2字节6-0号位 3字节7号位 3字节6-0号位
1 1111110 1 1111111 0 1111111
还有长度字节 长度:126 还有长度字节 长度:127 * 128 = 16256 长度最后字节 长度:127 * 16384 = 2080768

三个字节代表的长度值相加 126 + 16256 + 2080768 = 2097150,这既是完整的剩余长度值了。3字节每增加1,则代表剩余长度值增加16384,即前两个字节满值再加1。四字节的原理也是这样向后推导,这里就不再列举了。

剩余长度使用1-4个字节可以描述的长度范围见下表:

字节数 最小值10/16进制 最小值2进制 最大值10/16进制 最大值2进制
1 0(0x00) 00000000 127(0x7F) 01111111
2 128(0x80,0x01) 10000000 00000001 16383(0xFF,0x7F) 11111111 01111111
3 16384(0x80,0x80,0x01) 10000000 10000000 00000001 2097151(0xFF,0xFF,0x7F) 11111111 11111111 01111111
4 2097152(0x80,0x80,0x80,0x01) 10000000 10000000 10000000 00000001 268435455(0xFF,0xFF,0xFF,0x7F) 11111111 11111111 11111111 01111111

2、可变报头(Variable header):

可变报头在固定报头与有效负载之间,不是所有的报文都有可变报头。报文类型不同可变报头的内容也不同。后面会对各报文的可变报头逐一讨论。某些类型的报文中的可变报头还包含报文标识符(Packet Identifier)字段。

2.1、报文标识符(Packet Identifier):

报文标识符,一定程度上相当于是每个报文的唯一ID,用于识别报文身份的。重复发送报文时,必须使用相同的报文标识符。在需要应答的控制报文里,标识符可以区分是应答的哪个报文。某些控制报文的可变报头部分包含一个两字节的报文标识符字段。这些报文分别是PUBLISH(QoS > 0时), PUBACK,PUBREC,PUBREL,PUBCOMP,SUBSCRIBE, SUBACK,UNSUBSCRIBE,UNSUBACK。
??需要使用标识符的报文,发送方在每次发送一个新的报文时,必须分配一个没有使用过的报文标识符。报文标识符固定使用两个字节,按照双字节读值可用范围是0-65535(00000000 00000000 -- 11111111 11111111)。

3、有效载荷(Payload):

在一些需要携带用户自定义的应用消息的MQTT控制报文中,会将这些信息放在报文的最后部分,称之为有效载荷。对于PUBLISH来说有效载荷就是应用消息。不同的控制报文有效载荷内容不同,后面会在分别介绍控制报文时具体讨论。下表列出哪些控制报文有包含有效载荷:

控制报文 有效载荷
CONNECT 需要
CONNACK 不 需要
PUBLISH 可选,可以零长度
PUBACK 不需要
PUBREC 不需要
PUBREL 不需要
PUBCOMP 不需要
SUBSCRIBE 需要
SUBACK 需要
UNSUBSCRIBE 需要
UNSUBACK 不需要
PINGREQ 不需要
PINGRESP 不需要
DISCONNECT 不需要

本节完,待续......

原文链接:http://www.cnblogs.com/xueweisuoyong/p/11233522.html