MQTT协议数据怎么流转_华清远见教育科技集团

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MQTT协议数据怎么流转时间：2023-09-11 来源：华清远见

1、什么是MQTT？

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。MQTT最大的优点在于可以以极少的代码和有限的带宽，为远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，MQTT在物联网、小型设备、移动应用等方面有广泛的应用。

2、MQTT通信机制

一张图看懂MQTT通信机制，如下图：

首先要明白发布者、订阅者和代理之间的关系，发布者和订阅者作为客户端（一个客户端可以同时成为发布者和订阅者），代理作为服务器（通常都是对接云服务，比如阿里云服务）。客户端先要通过TCP/IP协议和服务器建立连接，然后双方才可以进行MQTT通信。通信消息类型有连接与应答、发布与应答、心跳与应答、订阅和取消订阅、关闭等类型。具体的可以看第4节MQTT协议数据传输格式。

3、数据表示

由于数据网络传输用的是大端序的(big-endian，高位字节在低位字节前面)，数据格式和嵌入式编程有所不同（一般都是小端序），进行封包时要有格式转换，具体请看下边。

3.1、单字节数据

字节中的位从0到7。第7位是最高有效位，第0位是最低有效位。

3.2、双字节整数

双字节整数数值是使用大端序(big-endian，高位字节在低位字节前面)的16位无符号整数。这意味着一个16位的字在网络上表示为最高有效位(MSB)，后面跟着最低有效位(LSB)。

3.3、四字节整数(MQTT5.0新增)

四字节整数数据值是按大端序(big-endian，高位字节在低位字节前面)的32位无符号整数：高位字节先于连续的低位字节。这意味着一个32位字在网络上显示为最高有效字节(MSB)，然后是下一个最高有效字节(MSB)，然后是下一个最高有效字节(MSB)，然后是最低有效字节(LSB)。

3.4、UTF-8编码字符串

后续描述的MQTT控制报文中的文本字段编码为 UTF-8 格式的字符串。UTF-8 是Unicode字符的有效编码，优化ASCII字符的编码以支持基于文本的通信。

除非另有说明，否则所有UTF-8编码的字符串长度都可以在0到65535字节之间。

3.5、UTF-8字符串键值对(MQTT5.0新增)

UTF-8字符串对由两个UTF-8编码的字符串组成，用来表示名字-值对，第一个字符串表示名字，第二个字符串表示值。

所有的字符串必须遵循UTF-8字符串编码规范，如果接受者(客户端或者服务端)接受到一个字符串对，然而其编码并不遵循规范，则此报文为无效报文。

4、MQTT协议数据传输格式

总体结构分为3个部分：固定报头、可变报头和有效载荷。

4.1、固定报头：

最少2个字节，第1个字节高4位是报文类型，低四位从高到低分别对应为DUP（重发标志占1bit）、QOS（服务等级占2个bit）、RETAIN（保留标志占1个bit）。第2个字节开始表示的是可变报头和有效载荷（数据）的长度（所占字节长度非固定字节数，最多4个字节）。

4.1.1、第一个字节：

报文类型：bit7~bit4

标志位：bit3~bit0

4.1.1.1、报文类型：

4.1.1.2、标志位：

4.1.1.3、DUP重发标志位：

只有在QOS>1时，才有可能用到。当第一次发布消息时，置0，如果是重复发布的要置1。

4.1.1.4、QOS服务等级：

QOS = 0时，“最多一次”，尽操作环境所能提供的最大努力分发消息。消息可能会丢失。例如，这个等级可用于环境传感器数据，单次的数据丢失没关系，因为不久之后会再次发送。

QOS = 1时，“至少一次”，保证消息可以到达，但是可能会重复。

QOS = 2时，“仅一次”，保证消息只到达一次。例如，这个等级可用在一个计费系统中，这里如果消息重复或丢失会导致不正确的收费。

4.1.1.5、RETAIN保留标志位：

当置1时，服务端将保留此条应用消息，分发给未来的订阅者。如果载荷为空，相当于清空消息。

4.1.2、第二个字节：（msg_len）

可变报头长度加上有效载荷长度，编码为变长字节整数。此长度的所占字节数要根据字节的最高位来决定，如果当前字节的最高位置1，说明下一个字节还表示长度，表示长度最多占4个字节，所以长度的最后一个字节最高为必须是0，每个字节表示最大值是128（十进制），也就是说每一包数据最大长度是128*128*128*128。

4.2、可变报头报文类型：

可变报头是根据报文类型和标志位变化，所以对每个不同的报文类型做解析。报文类型分为以下6类：

连接与响应、发布与响应、订阅与取消订阅、Ping（心跳）、关闭、认证交换（5.0支持）。

4.2.1、连接与响应：

4.2.1.1、CONNECT类型（5.0）:

可变报头的顺序是：协议名（Protocol Name），协议级别（Protocol Level），连接标志（Connect Flags），保持连接（Keep Alive）和属性（Properties），客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码。

协议名（Protocol Name）：UTF-8格式字符串。

协议级别（Protocol Level）：协议版本号。占1个字节。

连接标志位（Connect Flags）：

用户名标志 User Name Flag：置1表明后面有用户名字段，占1个Bit。

密码标志 Password Flag：置1名后面有密码字段，占1个Bit。

遗嘱保留标志 Will Retain：在遗嘱标志为1时才有效，否则错误。置1，发送遗嘱后是否保留信息，占1个Bit。

遗嘱服务质量 Will QoS：在遗嘱标志为1时才有效，否则错误。遗嘱的服务等级，占2个Bit。

遗嘱标志 Will Flag：置1表明后面字段有遗嘱主题和遗嘱消息，其内容是在正常关闭后发布，占1个Bit。

新开始 Clean Start：置1为新连接。占1个Bit。

保留 Reserved：此位置1说明报文错误，占1个Bit。

保持连接（Keep Alive）：

客户端和服务端保持连接的心跳时间，占2个字节的时间值，单位为秒。如果服务端在回复CONNACK中有配置间隔时间，客户端还需另配置此值。允许的最大值是18小时12分15秒。

属性（Properties）：（5.0新增）

属性第一个字节表示可变长度，同第二个字节（msg_len）。

属性标识符数值及数据类型对照表如下：

4.2.1.1.1、可变报头示例：

4.2.1.1.2、有效载荷：（以CONNECT为例）

客户端标识符（Client Identifier）：UTF-8 编码字符串。

当连接标志位遗嘱标志 Will Flag置1时有效：

遗嘱属性长度（Property Length）：属性长度被编码为可变长字节整数。（5.0新增）。

遗嘱属性标识符及字段（）：查询属性（5.0新增）。

遗嘱主题（Will Topic）：UTF-8编码的字符串。

遗嘱荷载（Will Payload）：这个字段由一个两字节的长度和遗嘱消息的有效载荷组成，此字段为二进制数据。

用户名：UTF-8 编码字符串。

密码：UTF-8 编码字符串。

4.2.1.2、CONNACK类型：确认连接请求

连接确认标志（Connect Acknowledge Flags）：

第1个字节是连接确认标志，位7-1是保留位且必须设置为0 ，第0（SP）位是会话存在标志（Session Present Flag）。

此标志位置1，且连接原因码成功（0x00）,说明服务端已经保存了客户端ID。

连接原因码（Reason Code）：

第2个字节是连接原因码。占用1个字节。详情看下方连接原因码 Connect Reason Code。

属性（Properties）：

长度上边参考属性标识符数值及数据类型对照表。

连接原因码 Connect Reason Code：

4.2.2、发布与响应

4.2.2.1、PUBLISH类型：发布

固定报头：

解析字节长度方法同上。

可变报头：

主题名（Topic Name）：UTF-8编码的字符串。

报文标识符（Packet Identifier）：消息ID。

只有当QoS等级是1或2时，报文标识符（Packet Identifier）字段才能出现在PUBLISH报文中。

属性（Properties）：

长度上边参考属性标识符数值及数据类型对照表。

可变报头示例：

有效载荷：

载荷包含将被发布的应用消息。载荷的内容和格式由应用程序指定。有效载荷的长度这样计算：用固定报头中的剩余长度字段的值减去可变报头的长度。包含零长度有效载荷的PUBLISH报文是合法的。

服务端在接收到客户端的PUBACK，PUBCOMP或包含原因码大于等于128的PUBREC报文之前，不能发送数量超过客户端的接收最大值（Receive Maximum）的QoS为1和2的PUBLISH报文。客户端在发送PUBACK或PUBCOMP响应之前，如果收到数量超过服务端的接收最大值的QoS为1和2的PUBLISH报文，客户端使用包含原因码为0x93（超出接收最大值）的DISCONNECT报文断开网络连接。

4.2.2.2、PUBACK类型、PUBREC类型、PUBREL类型、PUBCOMP类型：回应

都是收到消息回应，PUBACK是对QoS1回应，PUBREC是QoS2模式下对发布方回应（第一个回应报文），PUBREL是对QoS2模式下收到PUBREC后发布方再次发给接受方（第二个回应报文），PUBCOMP是QoS2模式下对发布方最后回应（第三个回应报文）。

固定报头：

解析字节长度方法同上。

可变报头：

所确认的PUBLISH报文标识符：报文标识符（Packet Identifier）。

PUBACK原因码：详情看上方连接原因码 Connect Reason Code。

属性（Properties）：长度上边参考属性标识符数值及数据类型对照表。

属性的第1个字节是可变报头中的属性长度被编码为变长字节整数。为0x00则没有属性。

... ...

有效载荷：

没有有效载荷。

4.2.3、订阅与取消订阅

4.2.3.1、SUBSCRIBE类型：订阅请求

客户端向服务端发送SUBSCRIBE报文用于创建一个或多个订阅。每个订阅（Subscription）注册客户端所感兴趣的一个或多个主题。服务端向客户端发送PUBLISH报文以转发被发布到符合这些订阅主题的应用消息。SUBSCRIBE报文同样（为每个订阅）指定了服务端可以向其发送的应用消息最大QoS等级。

固定报头：

解析字节长度方法同上。SUBSCRIBE报文固定报头第1个字节的第3，2，1，0比特位是保留位，必须被设置为0，0，1，0。（QoS1）服务端必须将其他的任何值都当做是不合法的并关闭网络连接。

可变报头：

报文标识符（Packet Identifier）：消息ID。

属性（Properties）：

属性的第1个字节是可变报头中的属性长度被编码为变长字节整数。为0x00则没有属性。

... ...

有效载荷：

载荷包含一列主题过滤器，指明客户端希望订阅的主题。主题过滤器必须为UTF-8 编码的字符串。每个主题过滤器之后跟着一个订阅选项（Subscription Options）字节。载荷必须包含至少一个主题过滤器/订阅选项对。不包含载荷的SUBSCRIBE报文将造成协议错误（Protocol Error）。

主题过滤器：

UTF-8 编码的字符串。

订阅选项：占1个字节

第0和1比特代表最大服务质量字段。此字段给出服务端可以向此客户端发送的应用消息的最大QoS等级。最大服务质量字段为3将造成协议错误（Protocol Error）。

第2比特表示非本地（No Local）选项。值为1，表示应用消息不能被转发给发布此消息的客户标识符。共享订阅时把非本地选项设为1将造成协议错误（Protocol Error）。

第3比特表示发布保留（Retain As Published）选项。值为1，表示向此订阅转发应用消息时保持消息被发布时设置的保留（RETAIN）标志。值为0，表示向此订阅转发应用消息时把保留标志设置为0。当订阅建立之后，发送保留消息时保留标志设置为1。

第4和5比特表示保留操作（Retain Handling）选项。此选项指示当订阅建立时，是否发送保留消息。此选项不影响之后的任何保留消息的发送。如果没有匹配主题过滤器的保留消息，则此选项所有值的行为都一样。值可以设置为：0 = 订阅建立时发送保留消息1 = 订阅建立时，若该订阅当前不存在则发送保留消息2 = 订阅建立时不要发送保留消息保留操作的值设置为3将造成协议错误（Protocol Error）。

第6和7比特为将来所保留。服务端必须把此保留位非0的SUBSCRIBE报文当做无效报文。

SUBSCRIBE类型的有效载荷结构：

RAP指发布保留（Retain as Published）。NL指非本地（No Local）。

4.2.3.2、SUBACK类型：订阅确认

服务端发送SUBACK报文给客户端，用于确认它已收到并且正在处理SUBSCRIBE报文。SUBACK报文包含一个原因码列表，用于指定授予的最大QoS等级或SUBSCRIBE报文所请求的每个订阅发生的错误。

固定报头：

解析字节长度方法同上。

可变报头：

所确认的SUBSCRIBE报文标识符：消息ID。

属性（Properties）：

属性的第1个字节是SUBACK可变报头中的属性长度被编码为变长字节整数。为0x00则没有属性。

... ...

有效载荷：

有效载荷包含一个原因码列表。每个原因码对应SUBSCRIBE报文中的一个被确认的主题过滤器。SUBACK报文中的原因码顺序必须与SUBSCRIBE报文中的主题过滤器顺序相匹配。

订阅原因码 Subscribe Reason Codes：

4.2.3.3、UNSUBSCRIBE类型：取消订阅请求

客户端发送UNSUBSCRIBE报文给服务端，用于取消订阅主题。

固定报头：

解析字节长度方法同上。UNSUBSCRIBE固定报头的第3，2，1，0位是保留位且必须分别设置为0，0，1，0。服务端必须认为任何其它的值都是不合法的并关闭网络连接。

可变报头：

报文标识符：消息ID。

属性（Properties）：

属性的第1个字节是可变报头中的属性长度被编码为变长字节整数。为0x00则没有属性。

... ...

有效载荷：

UNSUBSCRIBE报文有效载荷包含一列客户端希望取消订阅的主题过滤器。UNSUBSCRIBE报文中的主题过滤器必须为UTF-8编码字符串，且连续填充。UNSUBSCRIBE报文有效载荷必须包含至少一个主题过滤器。不包含有效载荷的UNSUBSCRIBE报文将造成协议错误（Protocol Error）。

UNSUBSCRIBE报文有效载荷示例：

4.2.3.4、UNSUBACK类型：取消订阅确认

服务端发送UNSUBACK报文给客户端用于确认收到UNSUBSCRIBE报文。

固定报头：

解析字节长度方法同上。

表示可变报头的长度，对UNSUBACK报文这个值等于2。

可变报头：

所确认的UNSUBSCRIBE报文标识符：消息ID。

属性（ Properties）：

属性的第1个字节是可变报头中的属性长度被编码为变长字节整数。为0x00则没有属性。

... ...

有效载荷：

有效载荷包含一个原因码列表。每个原因码对应UNSUBSCRIBE报文中的一个被确认的主题过滤器。UNSUBACK报文中的原因码顺序必须与UNSUBSCRIBE报文中的主题过滤器顺序相匹配。单字节无符号取消订阅原因码的值如下所示。服务端发送UNSUBACK报文时对于每个收到的主题过滤器，必须使用一个取消订阅原因码。

UNSUBACK原因码：

4.2.4、Ping（心跳）

4.2.4.1、PINGREQ类型：ping请求

客户端发送PINGREQ报文给服务端，可被用于：

在没有任何其他MQTT控制报文从客户端发给服务端时，告知服务端客户端还活着。

请求服务端发送响应以确认服务端还活着。

使用网络已确认网络连接没有断开。

此报文被用在保持连接（Keep Alive）的处理中。

只有2个字节的固定报头：0xC0,0x00。没有可变报头和有效载荷。

4.2.4.2、PINGRESP类型：心跳响应

服务端发送PINGRESP报文响应客户端的PINGREQ报文。表示服务端还活着。

保持连接（Keep Alive）处理中用到这个报文。

只有2个字节的固定报头：0xD0,0x00。没有可变报头和有效载荷。

4.2.5、关闭

DISCONNECT类型：

DISCONNECT报文是客户端发给服务端的最后一个MQTT控制报文。表示客户端为什么断开网络连接的原因。客户端和服务端在关闭网络连接之前可以发送一个DISCONNECT报文。如果在客户端没有首先发送包含原因码为0x00（正常断开）DISCONNECT报文并且连接包含遗嘱消息的情况下，遗嘱消息会被发布。

固定包头：

服务端或客户端必须验证所有的保留位都被设置为0，如果他们不为0，发送包含原因码为0x81（无效报文）的DISCONNECT报文。

可变报头：

断开原因码：

占1个字节，看下面断开原因值。

属性（Properties）：

属性的第1个字节是可变报头中的属性长度被编码为变长字节整数。为0x00则没有属性。

... ...

有效载荷：

DISCONNECT报文没有有效载荷。

断开原因值 Disconnect Reason Code：