一、MQTT协议数据包结构

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。MQTT数据包结构如下：

  1. 固定头（Fixed header）。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
  2. 可变头（Variable header）。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
  3. 消息体（Payload）。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

整体MQTT的消息格式如下图所示；

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二、MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

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固定报头的第一个字节分为控制报文的类型（4bit），以及控制报文类型的标志位，控制类型共有14种，其中0与15被系统保留出来，其他的类型具体见：

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固定报头的bit0-bit3为标志位，依照报文类型有不同的含义，事实上，除了PUBLISH类型报文以外，其他报文的标志位均为系统保留，PUBLISH报文的第一字节bit3是控制报文的重复分发标志（DUP），bit1-bit2是服务质量等级，bit0是PUBLISH报文的保留标志，用于标识PUBLISH是否保留，当客户端发送一个PUBLISH消息到服务器，如果保留标识位置1，那么服务器应该保留这条消息，当一个新的订阅者订阅这个主题的时候，最后保留的主题消息应被发送到新订阅的用户。

固定报头的第二个字节开始是剩余长度字段，是用于记录剩余报文长度的，表示当前的消息剩余的字节数，包括可变报头和有效载荷区域（如果存在），但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，而对于更大的数值则按下面的方式处理：每个字节的低7位用于编码数据长度，最高位（bit7）用于标识剩余长度字段是否有更多的字节，且按照大端模式进行编码，因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位，剩余长度字段最大可拥有4个字节。

  • 当剩余长度使用1个字节存储时，其取值范围为0(0x00)~127(0x7f)。
  • 当使用2个字节时，其取值范围为128(0x80,0x01)~16383(0Xff,0x7f)。
  • 当使用3个字节时，其取值范围为16384(0x80,0x80,0x01)~2097151(0xFF,0xFF,0x7F)。
  • 当使用4个字节时，其取值范围为2097152(0x80,0x80,0x80,0x01)~268435455(0xFF,0xFF,0xFF,0x7F)。

总的来说，MQTT报文理论上可以发送最大256M的报文，当然，这种情况是非常少的。

固定头存在于所有MQTT数据包中，下面简单分析一下固定头的消息格式:

1、MQTT消息类型 （message type）

位置：Byte1 中 bits 7-4 位。

相于一个4位的无符号值，类型、取值及描述如下：

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2、标识位 （DUP）

位置：Byte1 中 bits 3-0位。

在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：

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（1）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。

（2）QoS：发布消息的服务质量，即：保证消息传递的次数

Ø00：最多一次，即：<=1

Ø01：至少一次，即：>=1

Ø10：一次，即：=1

Ø11：预留

（3）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。

三、剩余长度（Remaining Length）

地址：Byte 2。

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

四、MQTT可变头（Variable header）

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，较常的应用是作为包的标识：

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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。

只有某些报文才拥有可变报头，它在固定报头和有效负载之间，可变报头的内容会根据报文类型的不同而有所不同，但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，而有一些报文又没有报文标识符字段，具体见表格，报文标识符结构具体见图：

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五、Payload消息体

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

  1. 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。
  2. SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
  3. 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。
  4. UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。