MQTT Protocol
MQTT協(xié)議特性
一句話總結(jié)：MQTT是一個(gè)簡單霎匈，輕量的消息發(fā)布/訂閱協(xié)議椭蹄。
MQTT報(bào)文結(jié)構(gòu)
一個(gè)MQTT報(bào)文主要由三部分組成：固定報(bào)頭（Fix Header）戏锹，可變報(bào)頭（Variable Header）和Payload斜棚。所有的報(bào)文都必須要有固定報(bào)頭糕篇，而可變報(bào)頭和Payload只有特定的消息才有啄育。
Fix Header
Fix Header使用一個(gè)Byte來標(biāo)識(shí)，其中高四位用于控制報(bào)文類型拌消。所以挑豌，MQTT最多能夠表示16中報(bào)文類型。就目前v3.1.1版本來說墩崩，這4位并沒有完全占用氓英，還有兩個(gè)保留值，分別是0和15鹦筹。所以铝阐，目前MQTT有14種報(bào)文類型，下邊會(huì)展開介紹铐拐。下邊表格展示了每種報(bào)文類型其固定報(bào)頭的值：
Fix Header中低四位是標(biāo)志位（Flags）徘键，標(biāo)志位沒啥好說的，而且它們也基本是固定的遍蟋，我們大概看下不同的報(bào)文對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位的值：
Variable Header
除了固定報(bào)頭啊鸭，MQTT還制定了可變報(bào)頭∧渲担可變報(bào)頭只存在于部分報(bào)文中，并且不同的報(bào)文類型其可變報(bào)頭也不一樣赂摆。比如PUBLISH（QoS > 0時(shí)）挟憔， PUBACK，PUBREC烟号，PUBREL绊谭，PUBCOMP，SUBSCRIBE, SUBACK汪拥， UNSUBSCIBE达传，UNSUBACK這些報(bào)文擁有一個(gè)兩個(gè)字節(jié)長度的Package Identifier；CONNECT有四個(gè)可變報(bào)頭：Protocol Name，Protocol Level宪赶，Connect Flags宗弯，Keep Alive。
Payload
在可變報(bào)頭后搂妻，緊接著就是Payload蒙保。Payload也是部分報(bào)文擁有。比如PUBLISH欲主，用它來存儲(chǔ)推送的消息內(nèi)容邓厕；CONNECT消息可用它來存儲(chǔ)用戶名密碼，SUBSCRIBE可用它來存儲(chǔ)訂閱的主題名扁瓢，等等详恼。像PINGREQ，PINGRESP引几，PUBACK等這些消息就沒有PAYLOAD昧互。下表展示了不同消息其Payload的情況：
剩余長度 Remaining Length
剩余長度是除了Fix Header以及剩余長度本身之外的報(bào)文大小。即剩余長度=可變報(bào)頭長度+Payload長度她紫。MQTT規(guī)定用1~4個(gè)字節(jié)記錄報(bào)文的剩余長度硅堆。其中每個(gè)字節(jié)的最高位用來標(biāo)識(shí)是否有更多的數(shù)據(jù)，這樣一個(gè)字節(jié)最大能表示數(shù)值128贿讹。4個(gè)字節(jié)是最大能表示268435455渐逃，也就是256M。
MQTT報(bào)文概覽
MQTT共有14種報(bào)文類型民褂，這節(jié)主要介紹一下這些報(bào)文的作用茄菊。成對(duì)出現(xiàn)的報(bào)文會(huì)放在同一小節(jié)。
CONNECT & CONNECTACK
CONNECT是客戶端第一個(gè)發(fā)送的消息赊堪∶嬷常客戶端和服務(wù)器端建立TCP鏈接之后，應(yīng)立即發(fā)送CONNECT消息哭廉。如果一段時(shí)間內(nèi)客戶端沒有向服務(wù)端發(fā)送CONNECT消息脊僚，那么服務(wù)端應(yīng)斷開這個(gè)鏈接。服務(wù)端在收到CONNECT消息之后遵绰，應(yīng)回復(fù)CONNECTACK消息辽幌。CONNECTACK消息包含了鏈接是否成功建立，或者為什么沒有建立成功椿访。
CONNECT指令相對(duì)復(fù)雜乌企，下邊我們?cè)敿?xì)介紹一下它包含的各部分內(nèi)容。
固定報(bào)頭
可變報(bào)頭
可變報(bào)頭內(nèi)容較多成玫，包含了以下四個(gè)字段：協(xié)議名（Protocol Name）加酵，協(xié)議級(jí)別（Protocol Leven）拳喻，鏈接標(biāo)志（Connect Flags），保持鏈接（Keep Alive）猪腕。
協(xié)議名是固定的冗澈，是以u(píng)tf-8編碼的MQTT，如果服務(wù)端發(fā)現(xiàn)協(xié)議名稱不對(duì)码撰，可以斷開當(dāng)前的鏈接渗柿，也可以繼續(xù)處理，但是不能按照MQTT協(xié)議處理該報(bào)文脖岛。
協(xié)議級(jí)別也是固定的朵栖，對(duì)于MQTT 3.1.1是0x04。如果服務(wù)端接受到的客戶端協(xié)議版本太低柴梆，則返回當(dāng)前服務(wù)端不支持的協(xié)議級(jí)別陨溅，并斷開當(dāng)前鏈接。
Connect Flags
Connect Flags也包含了多種信息：
第0位是固定的保留位绍在，服務(wù)端會(huì)檢查這位是否為0门扇，如果不是則斷開鏈接。
第1位Clean Session偿渡，如果值為1的話表示服務(wù)端不會(huì)為客戶端保留任何Session信息臼寄。所以也不存在客戶端鏈接是恢復(fù)原有Session這一說。當(dāng)Clean Session為0時(shí)溜宽，如果服務(wù)端有與當(dāng)前Client關(guān)聯(lián)的Session吉拳，則基于當(dāng)前Session進(jìn)行通信；如果沒有則創(chuàng)建新的Session适揉。
我們看一下session都包含什么信息：
客戶端的會(huì)話狀態(tài)包括：
- 已經(jīng)發(fā)送給服務(wù)端留攒，但是還沒有完成確認(rèn)的QoS 1和QoS 2級(jí)別的消息。
- 已從服務(wù)端接收嫉嘀，但是還沒有完成確認(rèn)的QoS 2級(jí)別的消息炼邀。
服務(wù)端的會(huì)話狀態(tài)包括：
- 會(huì)話是否存在，即使會(huì)話狀態(tài)的其它部分都是空剪侮。
- 客戶端的訂閱信息拭宁。
- 已經(jīng)發(fā)送給客戶端，但是還沒有完成確認(rèn)的QoS 1和QoS 2級(jí)別的消息瓣俯。
- 即將傳輸給客戶端的QoS 1和QoS 2級(jí)別的消息红淡。
- 已從客戶端接收，但是還沒有完成確認(rèn)的QoS 2級(jí)別的消息降铸。
- 可選，準(zhǔn)備發(fā)送給客戶端的QoS 0級(jí)別的消息摇零。
遺囑
Will包含三部分：Will Flag是否在意外斷開時(shí)發(fā)布遺囑消息推掸；Will Qos 消息的服務(wù)等級(jí)；Will Retain，是否保留谅畅。
什么情況下會(huì)發(fā)布遺囑消息：
- 服務(wù)端檢測(cè)到了一個(gè)I/O錯(cuò)誤或者網(wǎng)絡(luò)故障登渣。
- 客戶端在保持連接（ Keep Alive） 的時(shí)間內(nèi)未能通訊。
- 客戶端沒有先發(fā)送DISCONNECT報(bào)文直接關(guān)閉了網(wǎng)絡(luò)連接毡泻。
- 由于協(xié)議錯(cuò)誤服務(wù)端關(guān)閉了網(wǎng)絡(luò)連接胜茧。
遺囑消息都是發(fā)生在服務(wù)端認(rèn)為客戶端與自己斷開了鏈接。遺囑存在的意義就是能夠讓其它客戶端及時(shí)的知道當(dāng)前鏈接已經(jīng)下線仇味。
Password和User Name
第6,7位是Password和User Name Flag呻顽。這些都比較簡單，如果有的話在Payload中填寫相應(yīng)的值即可丹墨。
說完CONNECT報(bào)文廊遍，我們來看一下CONNECTACK，CONNECT我們主要說兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)：鏈接返回碼贩挣，會(huì)話喉前。
鏈接返回碼
連接返回碼由可變報(bào)頭的第二個(gè)字節(jié)表示。
Session Present
CONNECTACK的的一個(gè)字節(jié)是Connect Acknowledge Flags（鏈接確認(rèn)標(biāo)志）王财。鏈接確認(rèn)標(biāo)志的第0位是Session Present卵迂。如果CONNECT的CleanSession標(biāo)志設(shè)置為1，SessionPresent需設(shè)置為0绒净。如果Clean Session設(shè)置為0见咒，如果服務(wù)端有關(guān)于當(dāng)前Client的Session，則Session Present設(shè)置為1疯溺，否則設(shè)置為0论颅。
PUBLISH & PUBACK
PUBLISH用于客戶端，服務(wù)端之間的消息推送囱嫩。PUBACK是一方收到PUBLISH之后向另一方發(fā)送應(yīng)答消息恃疯。下面我們先解釋一下PUBLISH消息。
固定報(bào)頭
然后publish是四個(gè)標(biāo)識(shí)位墨闲，由低到高分別是：Retain（消息是否保留）今妄，QoS（消息質(zhì)量等級(jí)），DUP（是否是舊報(bào)文重發(fā)）鸳碧。
QoS
QoS標(biāo)識(shí)消息的服務(wù)級(jí)別盾鳞，MQTT規(guī)定了三種消息服務(wù)級(jí)別：
QoS 0：Fire and Forgot；
QoS 1：At Least Once瞻离；
QoS 2：Exectly Once腾仅。其中QoS2是最級(jí)別的協(xié)議。它需要經(jīng)過兩次服務(wù)端與客戶端的通信才能完成： PUBLISH <-> PUBREC套利，PUBREL <-> PUBCOMP
實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)自己的應(yīng)用特點(diǎn)選擇不同的服務(wù)級(jí)別即可推励。
Retain
如果客戶端發(fā)送的retain標(biāo)識(shí)為1鹤耍，則服務(wù)端必須保存該條消息以及它的QoS。以便這個(gè)topic有新的訂閱者訂閱時(shí)验辞，服務(wù)端要把這個(gè)消息推送給它稿黄。使用Retain的好處就是新的訂閱者訂閱成功之后便能得到最近的一條消息，無需等到下次產(chǎn)生消息時(shí)跌造。
注意在協(xié)議文檔中說道：When a new subscription is established, the last retained message, if any, on each matching topic name MUST be sent to the subscriber.杆怕。所以，每個(gè)retain 消息都會(huì)覆蓋上一條壳贪，把這條消息最為最新保留消息陵珍。
如果服務(wù)器收到發(fā)送retain為true，payload為空的消息撑碴，它會(huì)把這個(gè)topic保留的retain消息刪除撑教。
如果服務(wù)器收到的 QoS 0 消息的保留標(biāo)志設(shè)置為 1, 則它必須丟棄以前為該主題保留的任何消息。它應(yīng)該將新的 QoS 0 消息存儲(chǔ)為該主題的新保留消息, 但在任何時(shí)候都可以選擇丟棄它, 如果發(fā)生這種情況, 該主題將不會(huì)有保留消息醉拓。
可變報(bào)頭
報(bào)頭包含了Topic Name和Packet Identifier伟姐。當(dāng)QoS為1或2時(shí)Packaet Identifier才有，Packet Identifier可以重復(fù)利用亿卤，只要消息被確認(rèn)它的Packet Identifier便可被其他消息使用愤兵。Packet Identifier最大占用兩位，最大數(shù)值65536排吴。
PUBLISH & PUBREC & PUBREL & PUBLCOMP
如果QoS等級(jí)為2的話客戶端和服務(wù)端要經(jīng)過兩個(gè)來回的通信過程：PUBLISH <-> PUBREC秆乳，PUBREL <-> PUBCOMP。這樣可以實(shí)消息Exactly Once推送钻哩。
SUBSCRIBE & SUBACK
SUBSCRIBE表示客戶端向服務(wù)端訂閱訂閱感興趣的一個(gè)或多個(gè)主題屹堰。服務(wù)端會(huì)維護(hù)主題和訂閱關(guān)系，如果多個(gè)客戶端訂閱了同一個(gè)主題街氢，其中任何一個(gè)客戶端發(fā)送消息時(shí)扯键，服務(wù)端需要把這個(gè)消息PUBLISH給其他訂閱客戶端。當(dāng)服務(wù)端收到SUBSCRIBE時(shí)它會(huì)立即回復(fù)SUBACK珊肃。
UNSUBSCRIBE & UNSUBACK
這兩個(gè)消息用于取消訂閱和取消訂閱確認(rèn)荣刑。
PINGREQ & PINGRESP
PINGREQ，PINGRESP是客戶端和服務(wù)端之間的心跳檢測(cè)伦乔。在CONNECT命令里厉亏，會(huì)設(shè)置keepalive時(shí)間，如果在keepalive 1.5倍時(shí)間內(nèi)服務(wù)端沒有收到任何客戶端消息則會(huì)把該客戶端強(qiáng)制斷開烈和。因此如果客戶端在沒有其它消息向服務(wù)端發(fā)送時(shí)爱只，應(yīng)該定時(shí)在合理的時(shí)間內(nèi)向服務(wù)器發(fā)送PINGREQ指令。服務(wù)端收到該指令后會(huì)回復(fù)PINGRESP招刹√袷裕客戶端如果在合理的時(shí)間內(nèi)沒有收到響應(yīng)則應(yīng)關(guān)閉鏈接沥匈。
DISCONNECT
這是客戶端發(fā)送給服務(wù)端的最后一個(gè)命令。在發(fā)送了這個(gè)命令之后客戶端應(yīng)該立即斷開鏈接忘渔，并且不能通過這個(gè)鏈接再發(fā)送任何消息。服務(wù)端在收到這個(gè)消息之后缰儿，刪除與當(dāng)前鏈接關(guān)聯(lián)的未發(fā)布的遺囑消息畦粮，如果客戶端還沒斷開鏈接，服務(wù)端關(guān)閉鏈接乖阵。
