MQTT 控制报文类型、功能及格式（报文结构） - 第2章

2023-11-14

2.1 MQTT 控制报文的结构

2.2 固定报头

2.2.1 控制报文的类型

2.1 MQTT 控制报文的结构

MQTT控制报文由三部分组成：

固定报头
可变报头
有效载荷

**MQTT 控制报文的结构**
名称 EN	名称 CN	所属情况
Fixed Header	固定报头	所有控制报文都包含
Variable Header	可变报头	部分控制报文包含
Payload	有效载荷	部分控制报文包含

2.2 固定报头

每个 MQTT 控制报文都包含一个固定报头。固定报头的数据长度为 2~5字节。（Byte = 8bit）

固定报头的格式：（MSB，高位在前）

**固定报头的数据格式**
Byte - Bit	7	6	5	4	3	2	1	0
Byte 1	MQTT 控制报文的类型（1 ~ 14）	指定控制报文类型的标志位
Byte 2~5	剩余长度（1~4 Byte）

剩余长度字段的长度，取决于帧长度，详细计算方法见 2.2.3章节。

2.2.1 控制报文的类型

位置：固定报头中，第 1 个字节的 Bit 7~4。

控制报文的定义如下：（0/15是保留位，无用。有效类型为 1~14）

**MQTT 控制报文的类型**
报文类型	功能描述	流动方向	值	固定报头	可变报头	报文标识符	载荷
CONNECT	客户端请求连接服务端	C -> S	1	有	有	无	有
CONNACK	服务端确认连接建立	S -> C	2	有	有	无	有
PUBLISH	发布消息	C <=> S	3	有	有	有（Qos>0）	有
PUBACK	收到发布消息确认（QoS1等级）	C <=> S	4	有	有	有	无
PUBREC	发布消息收到（QoS2等级）	C <=> S	5	有	有	有	无
PUBREL	发布消息释放（QoS2等级）	C <=> S	6	有	有	有	无
PUBCOMP	发布消息完成（QoS2等级）	C <=> S	7	有	有	有	无
SUBSCRIBE	订阅请求	C -> S	8	有	有	有	有
SUBACK	订阅确认	S -> C	9	有	有	有	有
UNSUBSCRIBE	取消订阅	C -> S	10	有	有	有	有
UNSUBACK	取消订阅确认	S -> C	11	有	有	有	无
PINGREQ	（保活）心跳请求	C -> S	12	有	无	无	无
PINGRESP	心跳响应	S -> C	13	有	无	无	无
DISCONNECT	客户端断开连接	C -> S	14	有	无	无	无

Qos：Quality of service，服务质量。Qos 0/1/2 为MQTT规定的服务质量等级，其代表消息传递时不同的可靠程度。
其中，5、6、7为 Qos2时才会有的控制报文。

2.2.2 控制报文类型的标志位

位置：固定报头中，第 1 个字节的 Bit 3~0。

**报文类型-标志位**
控制报文	固定报头标志	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	0	0
PUBCOMP	Reserved	0	0	0	0
SUBSCRIBE	Reserved	0	0	0	0
SUBACK	Reserved	0	0	0	0
UNSUBSCRIBE	Reserved	0	0	0	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

DUP1 =控制报文的重复分发标志
QoS2 = PUBLISH报文的服务质量等级
RETAIN3 = PUBLISH报文的保留标志
PUBLISH控制报文中的DUP, QoS和RETAIN标志的描述见 3.3.1节。

2.2.3 剩余长度

位置：固定报头中，从第2个字节开始。
剩余长度等于可变报头的长度（10字节）加上有效载荷的长度。
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。

剩余长度字段的帧格式：

**帧格式 - 剩余长度字段**
第1个字节	第2个字节	...
Bit 7	Bit 6:0	Bit 7	Bit 6:0	...
进位标志位	长度低字节	进位标志位	长度高字节	...

剩余长度字段的字节长度：最少1个字节，最多4个字节。
剩余长度字段可以表示的长度：1个字节时，可以表示剩余 0~127 长度。4个字节时，最大表示长度为 2^(7*4) - 1 = 2^28 - 1 = 268435455 长度

**剩余长度字段表示的字节长度**
字节数	表示长度的最小值（字节）	表示长度的最大值（字节）
1	0	2^7 - 1 = 127
2	2^7 = 128	2^(7*2) - 1 = 16383
3	2^(7*2) = 16384	2^(7*3) - 1 = 2097151
4	2^(7*3) = 2097152	2^(7*4) - 1 = 268435455

提示：

之所以1个字节不能表示 2^8 - 1 = 255长度，是因为：每个字节的最高位 Bit7，并不表示数据，是进位标志位。

剩余长度的计算：
示例1：

假设本帧剩余字节为 200，计算剩余长度字段。

使用电脑计算器，将 200 转换为二进制 1100 1000（MSB高位在前）
从右侧低位每7Bit进行一次拆分，依次拆分出：
第1个字节为 100 1000，有进位，高位加上进位1为 1100 1000 = 0xC8 (16进制)。
第2个字节为 1，无进位，为 1 = 0x01 (16进制)。

那么对应的字节长度的帧格式如下表：

	第1个字节	第2个字节
	Bit 7	Bit 6:0	Bit 7	Bit 6:0
	进位标志位		进位标志位
2进制	1	100 1000	0	000 0001
2进制	1100 1000	0000 0001
16进制	0xC8	0x01

示例2：

假设本帧剩余字节为 1000，计算剩余长度字段。

使用电脑计算器，将 1000 转换为二进制 11 1110 1000（MSB高位在前）
从右侧低位每7Bit进行一次拆分，依次拆分出：
第1个字节为 110 1000，有进位，高位加上进位1为 1110 1000 = 0xE8 (16进制)。
第2个字节为 11 1，无进位，为 11 1 = 0x07 (16进制)。

那么对应的字节长度的帧格式如下表：

	第1个字节	第2个字节
	Bit 7	Bit 6:0	Bit 7	Bit 6:0
	进位标志位		进位标志位
2进制	1	110 1000	0	000 0111
2进制	1110 1000	0000 0111
16进制	0xE8	0x07

示例3：

假设本帧剩余字节为 100,000,000，计算剩余长度字段。

使用电脑计算器，将 100,000,000 转换为二进制 101 1111 0101 1110 0001 0000 0000（MSB高位在前）
从右侧低位每7Bit进行一次拆分，依次拆分出：
第1个字节为 000 0000，有进位，高位加上进位1为 1000 0000 = 0x80 (16进制)。
第2个字节为 10 0001 0，有进位，高位加上进位1为 1100 0010 = 0xC2 (16进制)。
第3个字节为 1 0101 11，有进位，高位加上进位1为 1101 0111 = 0xD7 (16进制)。
第4个字节为 101 111 = 00，无进位，为 10 1111 = 0x2F (16进制)。

那么对应的字节长度的帧格式如下表：

	第1个字节	第2个字节	第3个字节	第4个字节
	Bit 7	Bit 6:0	Bit 7	Bit 6:0	Bit 7	Bit 6:0	Bit 7	Bit 6:0
	进位标志位		进位标志位		进位标志位		进位标志位
2进制	1	000 0000	1	100 0010	1	101 0111	0	010 1111
2进制	1000 0000	1100 0010	1101 0111	0010 1111
16进制	0x80	0xC2	0xD7	0x2F

2.3 可变报头

某些 MQTT 控制报文包含一个可变报头部分。它在固定报头和负载之间。

可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。

可变报头的报文标识符（Packet Identifier）字段存在于多个类型的报文里。

2.4 有效载荷

某些MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷。对于PUBLISH来说有效载荷就是应用消息。

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