1. MQTT 协议的通信模型

MQTT 的通信是通过发布/订阅的方式来实现的，消息的发布方和订阅方通过这种方式来进行解耦，它们没有直接地连接，它们需要一个中间方。在 MQTT 里面我们称之为 Broker，用来进行消息的存储和转发。一次典型的 MQTT 消息通信流程如下所示：
2. MQTT 的基础概念 - 图1

  • 发布者将消息发送到 Broker；
  • Broker 接收到消息以后，检查下都有哪些订阅者订阅了此类消息，然后将消息发送到这些订阅者；
  • 订阅方从 Broker 获取该消息。

我们将发送方称为 Publisher，将订阅方称为 Subscriber。

2. MQTT Client

任何终端，嵌入式设备也好，服务器也好，只要运行了 MQTT 的库或者代码，我们都称为 MQTT 的 Client。Publisher 和 Subscriber 都属于 Client，Pushlisher 或者 Subscriber 只取决于该 Client 当前的状态——是在发布还是在订阅消息。当然，一个 Client 可以同时是 Publisher 和 Subscriber。MQTT Client 库在很多语言中都有实现，包括 Android、Arduino、Ruby、C、C++、C#、Go、iOS、Java、JavaScript，以及 .NET 等。如果你要查看相应语言的库实现，可以在【MQTT Client 库】找到。

3. MQTT Broker

Broker 负责接收 Publisher 的消息，并发送给相应的 Subscriber，它是整个 MQTT 订阅/发布的核心。在实际应用中，一个 MQTT Broker 还应该提供以下一些功能：

  • 可以横向扩展，比如集群，来满足大量的 Client 接入；
  • 可以扩展接入业务系统；
  • 易于监控，满足高可用性；

像阿里云、腾讯云、青云之类的云服务商提供的 MQTT 服务，其实就可以理解为他们提供了满足上述要求的 MQTT Broker。

4. MQTT 协议数据包

MQTT 协议的数据包格式非常简单，一个 MQTT 协议数据包由下面三个部分组成：

  • 固定头（Fixed header）：存在于所有的 MQTT 数据包中，用于表示数据包类型及对应标识，表明数据包大小；
  • 可变头（Variable header）：存在于部分类型的 MQTT 数据包中，具体内容由相应类型的数据包决定；
  • 消息体（Payload）：存在于部分 MQTT 数据包中，存储消息的具体数据。

4.1 MQTT 固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
字节1（byte 1） MQTT数据包类型 不同类型MQTT数据包的具体标识
安节2（byte 2…） 数据包剩余长度

4.1.1 数据包类型

固定头的第一个字节的高 4 位 bit 用于指定该数据包的类型。（位置：byte 1, bits 7-4）
相于一个4位的无符号值，类型如下：

名称 值 方向 描述
Reserved 0 不可用 保留位
CONNECT 1 客户端到服务器 客户端请求连接到服务器
CONNACK 2 服务器到客户端 连接确认
PUBLISH 3 双向 发布消息
PUBACK 4 双向 发布确认
PUBREC 5 双向 发布收到（保证第1部分到达）
PUBREL 6 双赂 发布释放（保证第2部分到达）
PUBCOMP 7 双向 发布完成（保证第3部分到达）
SUBSCRIBE 8 客户端到服务器 客户端请求订阅
SUBACK 9 服务器到客户端 订阅确认
UNSUBSCRIBE 10 客户端到服务器 请求取消订阅
UNSUBACK 11 服务器到客户端 取消订阅确认
PINGREQ 12 客户端到服务器 PING请求
PINGRESP 13 服务器到客户端 PING应答
DISCONNECT 14 客户端到服务器 中断连接
Reserved 15 不可用 保留位

4.1.2 标识位

在不使用标识位的消息类型中，标识位被做为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接。
固定头的低 4 位 bit 用于指定数据包的标识 Flag（位置：byte 1, bits 3-0。），不同的数据包类型，其标识Flag 的定义是不一样的，每种数据包对应的标识位如下：

数据包 标识位 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
CONNECT 保留位 0 0 0 0
CONNACK 保留位 0 0 0 0
PUBLISH MQTT 3.1.1使用 DUP1 QoS2 QoS2 RETAIN3
PUBACK 保留位 0 0 0 0
PUBREC 保留位 0 0 0 0
PUBREL 保留位 0 0 0 0
PUBCOMP 保留位 0 0 0 0
SUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
SUBACK 保留位 0 0 0 0
UNSUBSCRIBE 保留位 0 0 0 0
UNSUBACK 保留位 0 0 0 0
PINGREQ 保留位 0 0 0 0
PINGRESP 保留位 0 0 0 0
DISCONNECT 保留位 0 0 0 0
  • DUP：发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输，如果设置为 1，则在下面的变长中增加MessageId，并且需要回复确认，以保证消息传输完成，但不能用于检测消息重复发送。
  • QoS：（Quality of Service）发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数
    • 00：最多一次，即：<=1
    • 01：至少一次，即：>=1
    • 10：一次，即：=1
    • 11：预留
  • RETAIN： 发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。

    DUP、QOS、RETAIN 标识的使用将在后续详细讲解。


从固定头的第 2 字节开始是用于标识 MQTT 数据包长度的字段，最少一个字节，最大四个字节，每一个字节的低 7 位用于标识值，范围为 0~127。最高位的 1 位是标识位，用来说明是否有后续字节来标识长度。例如：标识为 0，代表为没有后续字节；标识为 1，代表后续还有一个字节用于标识包长度。MQTT 协议规定最多可以用四个字节来标识包长度。
所以这四个字节最多可以标识的包长度为：(0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F) = 268435455 字节，约 256M，这个是MQTT 协议中数据包的最大长度。

注意：Remain Length 的值不包含固定头的大小，包括第 1 字节和 Remain Length 字段。

4.1.3 剩余长度（Remaining Length）

位置：byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的，但不是直接保存的。这一字节是可以扩展，其保存机制，前7位用于保存长度，后一部用做标识。当最后一位为 1时，表示长度不足，需要使用二个字节继续保存。 例如：计算出后面的大小为0。

4.2 可变头

MQTT 数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是做为包的标识：

Bit 7 6 5 4 3 2 1
byte 1 包标签符（MSB）
byte 2… 包标签符（LSB）

很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

4.3 Payload消息体

Payload 消息体位 MQTT 数据包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息体：

  • CONNECT，消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
  • SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
  • SUBACK，消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
  • UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。