15.4.2 MQTT协议简介
1.概述
MQTT协议是一种基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通信协议，该协议构建于TCP/IP上，由IBM公司于1999年发布。MQTT协议最大的优点在于它可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通信协议，MQTT协议在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
MQTT协议通信原理如图15.27所示。在通信过程中，系统中有3种身份：发布者（Publisher）、代理者（Broker，即服务器）、订阅者（Subscriber）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，代理者是服务器，发布者可以同时是订阅者。
2.报文及格式
图15.27 MQTT协议通信原理
下面以MQTT-3.1.1协议为内容分析其应用。MQTT控制报文由3部分组成，分别是固定报头、可变报头、有效载荷（根据需要可选），所以一个报文数据=固定报头+可变报头+有效载荷。MQTT报文结构如表15.5所示。
表15.5 MQTT报文结构
（1）固定报头。
固定报头由两个字节组成，第一个字节的7～4位为控制报文类型，3～0位为标志位；第二个字节表示剩余长度（包含可变报头和有效载荷）。固定报头结构如表15.6所示。
表15.6 固定报头结构
①控制报文类型。
MQTT协议中提供14种控制报文类型，如表15.7所示。这些报文实现客户端和服务器之间的通信。客户端首先通过CONNECT报文与服务器之间建立连接，然后订阅请求或发布消息。当没有通信时，客户端要定时发送PINGREQ报文给服务器的心跳包，以建立长连接。
表15.7 MQTT控制报文类型
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②标志位。
第一个字节的3～0位作为保留位时，要求按照协议规定传输固定值，其他按标志位定义的含义传输值，标志位功能如表15.8所示。
表15.8 标志位功能
•DUP1表示控制报文的重复分发标志。
•QoS2表示PUBLISH报文的服务质量等级。
•RETAIN3表示PUBLISH报文的保留标志。
③剩余长度。
剩余长度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。
剩余长度字段使用变长编码方案，最小1个字节，最大4个字节。每个字节的低7位用于编码数据，最高位用0或1指示是否有更多字节。
例如，CONNECT报文剩余长度如果是200字节，那么固定报文为10 C8 01；如果是1 000字节，那么固定报文为10 E8 07。
（2）可变报头。
某些控制报文包含可变报头，每个协议的可变报头都不一样，大多数控制报文都会有的字段是报文标识符。可变报头在各个控制报文中的详细内容读者可参见协议MQTT-3.1.1。
（3）有效载荷。
有效载荷是除控制报文格式以外的有效信息，CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE等需要传递有效信息的协议帧都需要有效载荷，即要传输的数据。
综上所述，要实现MQTT协议通信过程，一定要严格按照其报文格式对数据进行打包和拆包，才能确保联网和数据的有效通信。
