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MQTT Protocol MQTT協(xié)議特性 一句話總結(jié)：MQTT是一個簡單，輕量的消息發(fā)布/訂閱協(xié)議。 MQTT報(bào)文結(jié)構(gòu) 一個MQTT報(bào)文主要由三部分組成：固定報(bào)頭（Fix Header），可變報(bào)頭（Variable Header）和Payload。所有的報(bào)文都必須要有固定報(bào)頭，而可變報(bào)頭和Payload只有特定的消息才有。 Structure Fix Header Fix Header使用一個Byte來標(biāo)識，其中高四位用于控制報(bào)文類型。所以，MQTT最多能夠表示16中報(bào)文類型。就目前v3.1.1版本來說，這4位并沒有完全占用，還有兩個保留值，分別是0和15。所以，目前MQTT有14種報(bào)文類型，下邊會展開介紹。下邊表格展示了每種報(bào)文類型其固定報(bào)頭的值： Control Packets Fix Header中低四位是標(biāo)志位（Flags），標(biāo)志位沒啥好說的，而且它們也基本是固定的，我們大概看下不同的報(bào)文對應(yīng)的標(biāo)志位的值： Fix Header Variable Header 除了固定報(bào)頭，MQTT還制定了可變報(bào)頭?？勺儓?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。比如PUBLISH（QoS > 0時）， PUBACK，PUBREC，PUBREL，PUBCOMP，SUBSCRIBE, SUBACK， UNSUBSCIBE，UNSUBACK這些報(bào)文擁有一個兩個字節(jié)長度的Package Identifier；CONNECT有四個可變報(bào)頭：Protocol Name，Protocol Level，Connect Flags，Keep Alive。 Payload 在可變報(bào)頭后，緊接著就是Payload。Payload也是部分報(bào)文擁有。比如PUBLISH，用它來存儲推送的消息內(nèi)容；CONNECT消息可用它來存儲用戶名密碼，SUBSCRIBE可用它來存儲訂閱的主題名，等等。像PINGREQ，PINGRESP，PUBACK等這些消息就沒有PAYLOAD。下表展示了不同消息其Payload的情況： Payload 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。MQTT規(guī)定用1~4個字節(jié)記錄報(bào)文的剩余長度。其中每個字節(jié)的最高位用來標(biāo)識是否有更多的數(shù)據(jù)，這樣一個字節(jié)最大能表示數(shù)值128。4個字節(jié)是最大能表示268435455，也就是256M。 MQTT報(bào)文概覽 MQTT共有14種報(bào)文類型，這節(jié)主要介紹一下這些報(bào)文的作用。成對出現(xiàn)的報(bào)文會放在同一小節(jié)。 CONNECT & CONNECTACK CONNECT是客戶端第一個發(fā)送的消息?？蛻舳撕头?wù)器端建立TCP鏈接之后，應(yīng)立即發(fā)送CONNECT消息。如果一段時間內(nèi)客戶端沒有向服務(wù)端發(fā)送CONNECT消息，那么服務(wù)端應(yīng)斷開這個鏈接。服務(wù)端在收到CONNECT消息之后，應(yīng)回復(fù)CONNECTACK消息。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。 CONNECT指令相對復(fù)雜，下邊我們詳細(xì)介紹一下它包含的各部分內(nèi)容。 固定報(bào)頭 fix_header_connect.png 可變報(bào)頭 可變報(bào)頭內(nèi)容較多，包含了以下四個字段：協(xié)議名（Protocol Name），協(xié)議級別（Protocol Leven），鏈接標(biāo)志（Connect Flags），保持鏈接（Keep Alive）。 協(xié)議名是固定的，是以utf-8編碼的MQTT，如果服務(wù)端發(fā)現(xiàn)協(xié)議名稱不對，可以斷開當(dāng)前的鏈接，也可以繼續(xù)處理，但是不能按照MQTT協(xié)議處理該報(bào)文。 協(xié)議級別也是固定的，對于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，則返回當(dāng)前服務(wù)端不支持的協(xié)議級別，并斷開當(dāng)前鏈接。 Connect Flags Connect Flags也包含了多種信息： connect_flags_connect.png 第0位是固定的保留位，服務(wù)端會檢查這位是否為0，如果不是則斷開鏈接。 第1位Clean Session，如果值為1的話表示服務(wù)端不會為客戶端保留任何Session信息。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，如果服務(wù)端有與當(dāng)前Client關(guān)聯(lián)的Session，則基于當(dāng)前Session進(jìn)行通信；如果沒有則創(chuàng)建新的Session。 我們看一下session都包含什么信息： 客戶端的會話狀態(tài)包括： 已經(jīng)發(fā)送給服務(wù)端，但是還沒有完成確認(rèn)的QoS 1和QoS 2級別的消息。 已從服務(wù)端接收，但是還沒有完成確認(rèn)的QoS 2級別的消息。 服務(wù)端的會話狀態(tài)包括： 會話是否存在，即使會話狀態(tài)的其它部分都是空。 客戶端的訂閱信息。 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級別的消息。 即將傳輸給客戶端的QoS 1和QoS 2級別的消息。 已從客戶端接收，但是還沒有完成確認(rèn)的QoS 2級別的消息。 可選，準(zhǔn)備發(fā)送給客戶端的QoS 0級別的消息。 遺囑 Will包含三部分：Will Flag是否在意外斷開時發(fā)布遺囑消息；Will Qos 消息的服務(wù)等級；Will Retain，是否保留。 什么情況下會發(fā)布遺囑消息： 服務(wù)端檢測到了一個I/O錯誤或者網(wǎng)絡(luò)故障。 客戶端在保持連接（ Keep Alive） 的時間內(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。 由于協(xié)議錯誤服務(wù)端關(guān)閉了網(wǎng)絡(luò)連接。 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的知道當(dāng)前鏈接已經(jīng)下線。 Password和User Name 第6,7位是Password和User Name Flag。這些都比較簡單，如果有的話在Payload中填寫相應(yīng)的值即可。 說完CONNECT報(bào)文，我們來看一下CONNECTACK，CONNECT我們主要說兩個知識點(diǎn)：鏈接返回碼，會話。 鏈接返回碼 連接返回碼由可變報(bào)頭的第二個字節(jié)表示。 return_code.png Session Present CONNECTACK的的一個字節(jié)是Connect Acknowledge Flags（鏈接確認(rèn)標(biāo)志）。鏈接確認(rèn)標(biāo)志的第0位是Session Present。如果CONNECT的CleanSession標(biāo)志設(shè)置為1，SessionPresent需設(shè)置為0。如果Clean Session設(shè)置為0，如果服務(wù)端有關(guān)于當(dāng)前Client的Session，則Session Present設(shè)置為1，否則設(shè)置為0。 PUBLISH & PUBACK PUBLISH用于客戶端，服務(wù)端之間的消息推送。PUBACK是一方收到PUBLISH之后向另一方發(fā)送應(yīng)答消息。下面我們先解釋一下PUBLISH消息。 固定報(bào)頭 publish-fix-header 然后publish是四個標(biāo)識位，由低到高分別是：Retain（消息是否保留），QoS（消息質(zhì)量等級），DUP（是否是舊報(bào)文重發(fā)）。 QoS QoS標(biāo)識消息的服務(wù)級別，MQTT規(guī)定了三種消息服務(wù)級別： QoS 0：Fire and Forgot； QoS 1：At Least Once； QoS 2：Exectly Once。其中QoS2是最級別的協(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，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)級別即可。 Retain 如果客戶端發(fā)送的retain標(biāo)識為1，則服務(wù)端必須保存該條消息以及它的QoS。以便這個topic有新的訂閱者訂閱時，服務(wù)端要把這個消息推送給它。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。 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.。所以，每個retain 消息都會覆蓋上一條，把這條消息最為最新保留消息。 如果服務(wù)器收到發(fā)送retain為true，payload為空的消息，它會把這個topic保留的retain消息刪除。 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 消息存儲為該主題的新保留消息, 但在任何時候都可以選擇丟棄它, 如果發(fā)生這種情況, 該主題將不會有保留消息。 可變報(bào)頭 報(bào)頭包含了Topic Name和Packet Identifier。當(dāng)QoS為1或2時Packaet Identifier才有，Packet Identifier可以重復(fù)利用，只要消息被確認(rèn)它的Packet Identifier便可被其他消息使用。Packet Identifier最大占用兩位，最大數(shù)值65536。 PUBLISH & PUBREC & PUBREL & PUBLCOMP 如果QoS等級為2的話客戶端和服務(wù)端要經(jīng)過兩個來回的通信過程：PUBLISH <-> PUBREC，PUBREL <-> PUBCOMP。這樣可以實(shí)消息Exactly Once推送。 SUBSCRIBE & SUBACK SUBSCRIBE表示客戶端向服務(wù)端訂閱訂閱感興趣的一個或多個主題。服務(wù)端會維護(hù)主題和訂閱關(guān)系，如果多個客戶端訂閱了同一個主題，其中任何一個客戶端發(fā)送消息時，服務(wù)端需要把這個消息PUBLISH給其他訂閱客戶端。當(dāng)服務(wù)端收到SUBSCRIBE時它會立即回復(fù)SUBACK。 UNSUBSCRIBE & UNSUBACK 這兩個消息用于取消訂閱和取消訂閱確認(rèn)。 PINGREQ & PINGRESP PINGREQ，PINGRESP是客戶端和服務(wù)端之間的心跳檢測。在CONNECT命令里，會設(shè)置keepalive時間，如果在keepalive 1.5倍時間內(nèi)服務(wù)端沒有收到任何客戶端消息則會把該客戶端強(qiáng)制斷開。因此如果客戶端在沒有其它消息向服務(wù)端發(fā)送時，應(yīng)該定時在合理的時間內(nèi)向服務(wù)器發(fā)送PINGREQ指令。服務(wù)端收到該指令后會回復(fù)PINGRESP。客戶端如果在合理的時間內(nèi)沒有收到響應(yīng)則應(yīng)關(guān)閉鏈接。 DISCONNECT 這是客戶端發(fā)送給服務(wù)端的最后一個命令。在發(fā)送了這個命令之后客戶端應(yīng)該立即斷開鏈接，并且不能通過這個鏈接再發(fā)送任何消息。服務(wù)端在收到這個消息之后，刪除與當(dāng)前鏈接關(guān)聯(lián)的未發(fā)布的遺囑消息，如果客戶端還沒斷開鏈接，服務(wù)端關(guān)閉鏈接。
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