文章目录
- 一、MQTT协议
- 二、协议详解
- 2.1 协议结构
- 2.1.1 固定报头
- 2.1.2 可变报头
- 2.1.3 有效载荷
- 三、具体协议报文详解
- 3.1 连接服务器报文详解
- 3.2 发布消息报文详解
- 四、开源的MQTT实现
- 五、官方文档3.1.1中文翻译下载
- 六、官方文档5.0中文翻译下载
本文主要介绍MQTT协议的结构和具体的2条报文数据解析，帮忙更简单、快速地理解mqtt协议，如果要深入了解实现完整的协议，可以查看文章最后的完整协议文档做更深入的研究。
一、MQTT协议
MQTT协议在lot领域是使用的最广泛的通用协议，在一般企业级物联网产品开发中，通常会考虑的协议基本上就只有2种，一种是私有的自定义协议，另一种就是通用的MQTT协议；在产品品类相对较少或者对系统性能要求极高的情况下，一般会选择自定义的协议，其他大部分情况下，都会选择MQTT协议。
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，由IBM在1999年发布。
mqtt协议的优点，官方的解释是：用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；简单理解就是，实现起来简单，并且在传输上无效的数据也很少，而且能够保证数据传输的可靠性。
二、协议详解
2.1 协议结构
MQTT协议由三部分组成，固定报头，可变报头，有效载荷；固定报头是所有的报文统一的格式，可变抱头则根据固定抱头中的报文类型不同基本不同，每个报文类型基本上都有自己的可变报头格式，这里需要注意，最后有效载荷则部分报文有，部分报文没有，而且报文内容也是根据报文类型的不同而不同；协议总结构如下图所示：
MQTT协议总体来讲，就是规定了16条报文的具体规范，每一条报文都有自己的用途，自己的规定；一开始接触MQTT协议的时候，因为概念和名字较多可能会有点不容易理解，但是梳理清楚一两条具体报文的含义之后，就能比较清晰的理解这份协议了；把16条报文理解清楚，就能实现完整的MQTT协议。
2.1.1 固定报头
固定报头是MQTT协议开头，2个字节，分为三个部分：标志位、报文类型、剩余长度，下图为固定报头结构示意图
在上面的结构示意图中可以看的比较清晰；第一个字节分为2个部分：标志位和报文类型，一个字节有8位二进制，前面的4位用来做标志位，标志位在每条报文中有不同的作用，具体作用看后面的单条报文数据分析
后4位用来表示表示具体的报文类型，一共有16种，有部分类型是预留未使用的类型，在代码实现时，可以暂时忽略；具体的报文类型如下表所示：
第二个字节是剩余长度，其表示的就是在剩余长度之后的数据长度（还有多少个字节），剩余长度的字节数是不固定的，至少一个字节，最多4个字节，所以固定报头中包含的一个字节就是剩余长度的第一个字节；这里需要说明一下，剩余长度的每一个字节的最高位是一个标志位，用来表示下一个字节是否也属于剩余长度
举例说明：
比如：
0100 0000（最高位为0） 则说明后面的字节数据不属于剩余长度了
1010 0000（第一个字节，最高位为1） 0000 0001（第二个字节，最高位为0） 则说明后面的字节数据属于剩余长度，第2个字节最高位为0，则说明后面没有属于剩余长度的字节了，那么此剩余长度则为这2个字节
因为剩余长度的每个字节的最高位为标志位，所以其真实值并不是这些字节直接合并而成，需要另外进行计算；
举例说明：
如果第一个字节的最高位为0，则说明剩余长度只有一个字节，并且其值就是这个字节的值，如：0100 0000 那么剩余长度的真实值就是：64
如果剩余长度超过一个字节，那么就需要将每个字节的高字节去掉，然后组成一个新的数据，计算其值，下面举例说明：
2个字节长度的剩余长度计算
| 第一个字节 | 第二个字节 |
|---|---|
| 1010 0000 | 0000 0001 |
去掉标志位后，其新值为
| 第一个字节 | 第二个字节 |
|---|---|
| 010 0000 | 000 0001 |
合并时，后面的字节在高位，则合并后值为：1010 0000，则剩余长度的值为十进制的160；
三个字节长度的剩余长度计算
| 第一个字节 | 第二个字节 | 第三个字节 |
|---|---|---|
| 1001 0001 | 1100 1001 | 0100 1001 |
去掉标志位后，其新值为
| 第一个字节 | 第二个字节 | 第三个字节 |
|---|---|---|
| 001 0001 | 100 1001 | 100 1001 |
后面的字节在高位，则合并后值为：100 1001 100 1001 001 0001，则剩余长度的值为十进制的1205393；
四个字节长度的剩余长度计算
| 第一个字节 | 第二个字节 | 第三个字节 | 第四个个字节 |
|---|---|---|---|
| 1001 0001 | 1100 1001 | 1100 1001 | 0100 1101 |
去掉标志位后，其新值为
| 第一个字节 | 第二个字节 | 第三个字节 | 第四个个字节 |
|---|---|---|---|
| 001 0001 | 100 1001 | 100 1001 | 100 1101 |
后面的字节在高位，则合并后值为：100 1101 100 1001 100 1001 001 0001，则剩余长度的值为十进制的162686097；
剩余长度字段的解码算法如下：
multiplier = 1value = 0doencodedByte = 'next byte from stream'value += (encodedByte AND 127) * multipliermultiplier *= 128if (multiplier > 128*128*128)throw Error(Malformed Remaining Length)while ((encodedByte AND 128) != 0)
AND 是位操作与（C 语言中的&）
这个算法终止时，value 包含的就是剩余长度的值
2.1.2 可变报头
可变报头的数据依据固定报头中的报文类型而不同，一般是包含和报文类型相关的数据；例如客户端连接服务器报文，包含了协议名，协议级别（用来表示mqtt的版本信息）、连接标志、保持连接；可变报头内容示意图如下：
发布消息报文可变报头，则内容仅包含了主题名和报文标识符（仅当标志位Qos>0）
2.1.3 有效载荷
有效载荷内容也是根据报文类型的不同而不同，在上述可变报头的2张示意图中也能看出，连接服务器报文的有效载荷则包含了：客户端标识符、遗属主题、遗属消息、用户、密码，而发布消息报文，则仅仅包含了应用消息；不同的有效载荷解析方式有所不同，具体要看每一条报文的规定，详情可以参见最后一个章节提供的Mqtt官方手册。
三、具体协议报文详解
经过上面的学习，对MQTT协议应该有了一个初步的了解，接下来就使用2条具体的协议报文数据，更详细的介绍mqtt协议的具体数据和实现。
3.1 连接服务器报文详解
首先来看看连接服务器报文协议，先贴出具体的一条连接服务器报文协议数据（16进制数，每2个数字表示一个字节）
10ab0100044d51545404c2001400177061686f31363735313537353030373437303030303030000464656d6f00803846334238444532464443384244334437393242453737454143343132303130393731373635453542444436433439394144434545383430434534343142444546313745333036383442443935434137303846353530323232323243433631363144304432334332444643423132463841433939384635394537323133333933
接下来我们一个字节一个字节来解析，还是按照协议结构来分析（每一条报文所包含报文信息，在mqtt协议规范中都会有说明）
先把整体的解析数据罗列出，再进行详细的解析说明：
第1个字节是10，二进制则为：0001 0000（位置从后往前数） ，前4位为0000，则标志位全为0，标志位数据表示的意思需要根据报文类型来确定，详情可以参考文章最后的官方文档；后4位0001，值为1，则表示报文类型为客户端连接服务器（CONNECT）
第2个字节：ab，二进制为：1010 1011，第2个字节为剩余长度的起始字节，其最高位为1，则说明后面一个字节也属于剩余长度，第3个字节:01，二进制为：0000 0001 最高位为0，则剩余长度结束，共包含了2个字节，依据前面剩余长度的算法解释，可得出剩余长度等于171，表示该报文后面还有171个字节。
根据官方文档的解释：连接服务器报文可变报头的起始2个字节为协议名的长度；前面已经解析了3个字节；
则第4个字节至第5个字节则为协议名称的长度：00 04 协议名长度为4，
第6-9个字节为协议名，6-9字节为：4d 51 54 54 ，根据协议规定，协议名为ascii码值，则协议名解析为：MQTT
接下来的字节为协议级别，即第10个字节为协议级别：04 （官方解释：0x04 表示3.1.1版本）
接下来的第11个字节为 连接标志，连接标志位的详细解释如下图所示：
第11个字节:c2 二进制为：1100 0010，那么会话清理（clean session）为1,表示丢弃之前的会话，开始一个新的会话；另外用户名和密码标志位为1，则说明在有效载荷中携带了用户名和密码信息，遗属标志位为0，则有效载荷中就没有遗属主题和遗属消息
第12-13字节：00 14，用来表示保持连接的时间（秒），即为10十进制：20秒
到此处可变报头就解析完了，接下来就是解析有效载荷部分了，连接服务器报文有效载荷格式为前个字节为字段长度，然后接字段值的格式
第14-15字节：00 17，用来表示客户端标识符长度，即为10十进制：23个字节
第16-38字节：7061686f31363735313537353030373437303030303030 ，表示客户端标识符，客服端标识符为ascii码格式，则此处为：paho1675157500747000000
第39-40字节：00 04，用来表示用户长度，即为10十进制：4个字节
第41-44字节：64 65 6d 6f，用来表示用户名，ascii码为（demo)
第45-46字节：00 80 ，用来表示密码长度 ，即为10进制：128
第47-174字节：
3846334238444532464443384244334437393242453737454143343132303130393731373635453542444436433439394144434545383430434534343142444546313745333036383442443935434137303846353530323232323243433631363144304432334332444643423132463841433939384635394537323133333933
即为密码，也是使用ascii码
至此我们已经完整的解析了一条mqtt客户端连接服务器报文
3.2 发布消息报文详解
下面来看发布消息报文，此报文可变报头仅有2个部分，一个是主题名，一个是报文标识符，报文标识符仅当Qos大于0时才有，然后就是有效载荷，有效载荷都是自己定义的内容，收到数据后按自定义规则解析即可；
301200047465737468656c6c6f2c776f726c64
先把整体的解析数据罗列出，再进行详细的解析说明：
第1个字节是30，二进制则为：0011 0000（位置从后往前数） ，前4位为0000，则标志位全为0，标志位数据表示的意思需要根据报文类型来确定，详情可以参考文章最后的官方文档；后4位0011 值为3，则表示报文类型为发布消息（PUBLISH）
第2个字节：11，二进制为：0001 0001，第2个字节为剩余长度的起始字节，其最高位为0，则说明剩余长度就只有这一个字节，10进制值为17，表示该报文后面还有17个字节。
第3个字节开始就是可变报头，发布消息类型的可变抱头，第一个就是主题，格式内容为2个字节的主题名称长度，然后跟上主题名；则第3-4个字节为主题名长度：00 04，表示有4个字节的主题名
第5-8字节为主题名：74657374 ，主题名为asicc码格式，则为：test
因为固定报头中标志位为0，则Qos=0,则没有报文标识符
第9-19字节为有效载荷：68656c6c6f2c776f726c64 （ascii码：hello,world）
再看一条带有Qos=1的发布消息报文数据
3213000474657374000168656c6c6f2c776f726c64
先列出整体的解析数据
这里解释一下什么是 QoS
很多时候，使用 MQTT 协议的设备都运行在网络受限的环境下，而只依靠底层的 TCP 传输协议，并不能完全保证消息的可靠到达。因此，MQTT 提供了 QoS 机制，其核心是设计了多种消息交互机制来提供不同的服务质量，来满足用户在各种场景下对消息可靠性的要求。
MQTT 定义了三个 QoS 等级，分别为：
QoS 0，最多交付一次。
QoS 1，至少交付一次。
QoS 2，只交付一次。
其中，使用 QoS 0 可能丢失消息，使用 QoS 1 可以保证收到消息，但消息可能重复，使用 QoS 2 可以保证消息既不丢失也不重复。QoS 等级从低到高，不仅意味着消息可靠性的提升，也意味着传输复杂程度的提升。在发布者到订阅者的消息投递流程中，QoS 等级是由发布者在 PUBLISH 报文中指定的。
第1个字节是32，二进制则为：0011 0010（位置从后往前数） ，第2-3位表示的是Qos,则Qos=1那么后面的可变报文中，就会添加报文标识符了；后4位0011 值为3，则表示报文类型为发布消息（PUBLISH）
第2个字节：13，二进制为：0001 0011，第2个字节为剩余长度的起始字节，其最高位为0，则说明剩余长度就只有这一个字节，10进制值为19，表示该报文后面还有19个字节。
第3个字节开始就是可变报头，发布消息类型的可变抱头，第一个就是主题，格式内容为2个字节的主题名称长度，然后跟上主题名；则第3-4个字节为主题名长度：00 04，表示有4个字节的主题名
第5-8字节为主题名：74657374 ，主题名为asicc码格式，则为：test
因为标志位中Qos=1，则下面的2个字节表示报文标识符，报文标识符一般都是用来表示消息数，用来区分不同的消息，避免处理重复消息
第9-10字节：00 01，则报文标识符为1
第11-21字节为有效载荷：68656c6c6f2c776f726c64 （ascii码：hello,world）
两条报文对比一下，因为固定报头中的标志位不同，影响了可变报头的内容，多了一个报文标识符；通过这3条报文数据的解析，相信你应该对mqtt协议有了一个比较清晰的认识了，如果想实现完整的协议，则请继续往后看。
四、开源的MQTT实现
了解熟悉mqtt协议后，就可以学着去实现mqtt协议，MQTT协议作为成熟、通用且使用广泛的协议，其实已经有很多的开源代码实现了其协议，学习借鉴这些优秀的开源代码，相信能给你开发出理想的mqtt应用带来非常多的帮助，以下是mqtt官方罗列的一些实现 ，点击这里查看
五、官方文档3.1.1中文翻译下载
想要查看更详细、完整的MQTT协议，可以查看此份官方文档，每一条报文的详细实现都有非常明确的说明
下载MQTT 协议 3.1.1 中文版
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