第二章 MQTT控制报文格式 MQTT Control Packet format

目录

2.1 MQTT控制报文的结构 Structure of an MQTT Control Packet

MQTT协议通过交换预定义的MQTT控制报文来通信。这一节描述这些报文的格式。

MQTT控制报文由三部分组成,按照 图例 2.1 –MQTT控制报文的结构 描述的顺序:

图例 2.1 –MQTT控制报文的结构
Fixed header 固定报头,所有控制报文都包含
Variable header 可变报头,部分控制报文包含
Payload 有效载荷,部分控制报文包含

2.2 固定报头 Fixed header

每个MQTT控制报文都包含一个固定报头。图例 2.2 -固定报头的格式 描述了固定报头的格式。

图例 2.2 -固定报头的格式
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
byte 1 MQTT控制报文的类型 用于指定控制报文类型的标志位
byte 2... 剩余长度

2.2.1 MQTT控制报文的类型 MQTT Control Packet type

位置:第1个字节,二进制位7-4。

表示为4位无符号值,这些值的定义见 表格 2.1 -控制报文的类型

表格 2.1 -控制报文的类型
名字 报文流动方向 描述
Reserved 0 禁止 保留
CONNECT 1 客户端到服务端 客户端请求连接服务端
CONNACK 2 服务端到客户端 连接报文确认
PUBLISH 3 两个方向都允许 发布消息
PUBACK 4 两个方向都允许 QoS 1消息发布收到确认
PUBREC 5 两个方向都允许 发布收到(保证交付第一步)
PUBREL 6 两个方向都允许 发布释放(保证交付第二步)
PUBCOMP 7 两个方向都允许 QoS 2消息发布完成(保证交互第三步)
SUBSCRIBE 8 客户端到服务端 客户端订阅请求
SUBACK 9 服务端到客户端 订阅请求报文确认
UNSUBSCRIBE 10 客户端到服务端 客户端取消订阅请求
UNSUBACK 11 服务端到客户端 取消订阅报文确认
PINGREQ 12 客户端到服务端 心跳请求
PINGRESP 13 服务端到客户端 心跳响应
DISCONNECT 14 客户端到服务端 客户端断开连接
Reserved 15 禁止 保留

2.2.2 标志 Flags

固定报头第1个字节的剩余的4位 [3-0]包含每个MQTT控制报文类型特定的标志,见 表格 2.2 -标志位。表格 2.2中任何标记为“保留”的标志位,都是保留给以后使用的,必须设置为表格中列出的值 [MQTT-2.2.2-1]。如果收到非法的标志,接收者必须关闭网络连接。有关错误处理的详细信息见 4.8节 [MQTT-2.2.2-2]。

表格 2.2 - 标志位 Flag Bits
控制报文 固定报头标志 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
CONNECT Reserved 0 0 0 0
CONNACK Reserved 0 0 0 0
PUBLISH Used in MQTT 3.1.1 DUP1 QoS2 QoS2 RETAIN3
PUBACK Reserved 0 0 0 0
PUBREC Reserved 0 0 0 0
PUBREL Reserved 0 0 1 0
PUBCOMP Reserved 0 0 0 0
SUBSCRIBE Reserved 0 0 1 0
SUBACK Reserved 0 0 0 0
UNSUBSCRIBE Reserved 0 0 1 0
UNSUBACK Reserved 0 0 0 0
PINGREQ Reserved 0 0 0 0
PINGRESP Reserved 0 0 0 0
DISCONNECT Reserved 0 0 0 0
  • DUP1 =控制报文的重复分发标志
  • QoS2 = PUBLISH报文的服务质量等级
  • RETAIN3 = PUBLISH报文的保留标志

PUBLISH控制报文中的DUP, QoS和RETAIN标志的描述见 3.3.1节。

2.2.3 剩余长度 Remaining Length

位置:从第2个字节开始。

剩余长度(Remaining Length)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。

剩余长度字段使用一个变长度编码方案,对小于128的值它使用单字节编码。更大的值按下面的方式处理。低7位有效位用于编码数据,最高有效位用于指示是否有更多的字节。因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位(continuation bit)。剩余长度字段最大4个字节。

非规范评注

例如,十进制数64会被编码为一个字节,数值是64,十六进制表示为0x40,。十进制数字321(=65+2*128)被编码为两个字节,最低有效位在前。第一个字节是 65+128=193。注意最高位为1表示后面至少还有一个字节。第二个字节是2。

非规范评注

这允许应用发送最大256MB(268,435,455)大小的控制报文。这个数值在报文中的表示是:0xFF,0xFF,0xFF,0x7F。

表格 2.4剩余长度字段的大小展示了剩余长度字段所表示的值随字节增长。

表格 2.4剩余长度字段的大小 Size of Remaining Length field
字节数 最小值 最大值
1 0 (0x00) 127 (0x7F)
2 128 (0x80, 0x01) 16 383 (0xFF, 0x7F)
3 16 384 (0x80, 0x80, 0x01) 2 097 151 (0xFF, 0xFF, 0x7F)
4 2 097 152 (0x80, 0x80, 0x80, 0x01) 268 435 455 (0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F)

分别表示(每个字节的低7位用于编码数据,最高位是标志位):

  • 1个字节时,从0(0x00)到127(0x7f)
  • 2个字节时,从128(0x80,0x01)到16383(0Xff,0x7f)
  • 3个字节时,从16384(0x80,0x80,0x01)到2097151(0xFF,0xFF,0x7F)
  • 4个字节时,从2097152(0x80,0x80,0x80,0x01)到268435455(0xFF,0xFF,0xFF,0x7F)

非规范评注

非负整数X使用变长编码方案的算法如下:

   do
  encodedByte = X MOD 128
  X = X DIV 128
 // if there are more data to encode, set the top bit of this byte
 if ( X > 0 )
     encodedByte = encodedByte OR 128
 endif
     'output' encodedByte
while ( X > 0 )

MOD是模运算,DIV是整数除法,OR是位操作或(C语言中分别是%,/,|)

非规范评注

剩余长度字段的解码算法如下:

multiplier = 1
value = 0
do
    encodedByte = 'next byte from stream'
    value += (encodedByte AND 127) * multiplier
    multiplier *= 128
    if (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。

2.3 可变报头 Variable header

某些MQTT控制报文包含一个可变报头部分。它在固定报头和负载之间。可变报头的内容根据报文类型的不同而不同。可变报头的报文标识符(Packet Identifier)字段存在于在多个类型的报文里。

2.3.1 报文标识符 Packet Identifier

图例 2.3 -报文标识符字节 Packet Identifier bytes
Bit 7 - 0
byte 1 报文标识符 MSB
byte 2 报文标识符 LSB

很多控制报文的可变报头部分包含一个两字节的报文标识符字段。这些报文是PUBLISH(QoS > 0时), PUBACK,PUBREC,PUBREL,PUBCOMP,SUBSCRIBE, SUBACK,UNSUBSCIBE,UNSUBACK。

SUBSCRIBE,UNSUBSCRIBE和PUBLISH(QoS大于0)控制报文必须包含一个非零的16位报文标识符(Packet Identifier)[MQTT-2.3.1-1]。客户端每次发送一个新的这些类型的报文时都必须分配一个当前未使用的报文标识符 [MQTT-2.3.1-2]。如果一个客户端要重发这个特殊的控制报文,在随后重发那个报文时,它必须使用相同的标识符。当客户端处理完这个报文对应的确认后,这个报文标识符就释放可重用。QoS 1的PUBLISH对应的是PUBACK,QoS 2的PUBLISH对应的是PUBCOMP,与SUBSCRIBE或UNSUBSCRIBE对应的分别是SUBACK或UNSUBACK [MQTT-2.3.1-3]。发送一个QoS 0的PUBLISH报文时,相同的条件也适用于服务端 [MQTT-2.3.1-4]。

QoS等于0的PUBLISH报文不能包含报文标识符 [MQTT-2.3.1-5]。

PUBACK, PUBREC, PUBREL报文必须包含与最初发送的PUBLISH报文相同的报文标识符 [MQTT-2.3.1-6]。类似地,SUBACK和UNSUBACK必须包含在对应的SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE报文中使用的报文标识符 [MQTT-2.3.1-7]。

需要报文标识符的控制报文在 表格 2.5 -包含报文标识符的控制报文 中列出。

表格 2.5 -包含报文标识符的控制报文 Control Packets that contain a Packet Identifier
控制报文 报文标识符字段
CONNECT 不需要
CONNACK 不需要
PUBLISH 需要(如果QoS > 0)
PUBACK 需要
PUBREC 需要
PUBREL 需要
PUBCOMP 需要
SUBSCRIBE 需要
SUBACK 需要
UNSUBSCRIBE 需要
UNSUBACK 需要
PINGREQ 不需要
PINGRESP 不需要
DISCONNECT 不需要

客户端和服务端彼此独立地分配报文标识符。因此,客户端服务端组合使用相同的报文标识符可以实现并发的消息交换。

非规范评注

客户端发送标识符为0x1234的PUBLISH报文,它有可能会在收到那个报文的PUBACK之前,先收到服务端发送的另一个不同的但是报文标识符也为0x1234的PUBLISH报文。

Client Server
PUBLISH Packet Identifier=0x1234---
--PUBLISH Packet Identifier=0x1234
PUBACK Packet Identifier=0x1234---
--PUBACK Packet Identifier=0x1234

2.4 有效载荷 Payload

某些MQTT控制报文在报文的最后部分包含一个有效载荷,这将在第三章论述。对于PUBLISH来说有效载荷就是应用消息。表格 2.6 – 包含有效载荷的控制报文 列出了需要有效载荷的控制报文。

表格 2.6 – 包含有效载荷的控制报文 Control Packets that contain a Payload
控制报文 有效载荷
CONNECT 需要
CONNACK 不需要
PUBLISH 可选
PUBACK 不需要
PUBREC 不需要
PUBREL 不需要
PUBCOMP 不需要
SUBSCRIBE 需要
SUBACK 需要
UNSUBSCRIBE 需要
UNSUBACK 不需要
PINGREQ 不需要
PINGRESP 不需要
DISCONNECT 不需要

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