雖然學習協議是枯燥的，但是熟悉協議本身卻是很重要的事情。如果能把其細節弄清楚，並且配合一些實驗來學習，就不會那麼枯燥了。
訊息報文格式
MQTT協議是應用層協議，需要藉助TCP/IP協議進行傳輸，類似HTTP協議。MQTT協議也有自己的格式，如下表：
[ Fixed Header | Variable Header | Payload]
Fixed Header: 固定頭部，MQTT協議分很多種型別，如連線，釋出，訂閱，心跳等。其中固定頭是必須的，所有型別的MQTT協議中，都必須包含固定頭。
**Variable Header:**可變頭部，可變頭部不是可選的意思，而是指這部分在有些協議型別中存在，在有些協議中不存在。
**Payload:**訊息載體，就是訊息內容。與可變頭一樣，在有些協議型別中有訊息內容，有些協議型別中沒有訊息內容。
固定頭
固定頭包含兩部分內容，首位元組(位元組1)和剩餘訊息報文長度(1-4位元組)。
| Bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Byte 1 | MQTT | Control | Packet | type | Flags specific | to each | MQTT Control | Packet type |
| Byte 2... | Remaining | Length |
為了避免翻譯不準確，這裡都使用官方的原始術語。其中MQTT Control Packet type可以簡單理解為位元組位Bit[7-4]用於確定報文型別。Flags specific to each MQTT Control Packet type意思是位元組位Bit[3-0]用作某些報文的特殊標記。
首位元組
首位元組用於表示MQTT訊息的報文型別以及某些型別的控制標記，如上圖。高4位(bit7~bit4)表示協議型別，總共可以表示16種協議型別，其中0000和1111是保留欄位。MQTT訊息報文型別如下。
| 報文型別 | 欄位值 | 資料方向 | 描述 |
|---|---|---|---|
| 保留 | 0 | 禁用 | 保留 |
| CONNECT | 1 | Client ---> Server | 客戶端連線到伺服器 |
| CONNACK | 2 | Server ---> Client | 連線確認 |
| PUBLISH | 3 | Client <--> Server | 釋出訊息 |
| PUBACK | 4 | Client <--> Server | 發不確認 |
| PUBREC | 5 | Client <--> Server | 訊息已接收(QoS2第一階段) |
| PUBREL | 6 | Client <--> Server | 訊息釋放(QoS2第二階段) |
| PUBCOMP | 7 | Client <--> Server | 釋出結束(QoS2第三階段) |
| SUBSCRIBE | 8 | Client ---> Server | 客戶端訂閱請求 |
| SUBACK | 9 | Server ---> Client | 服務端訂閱確認 |
| UNSUBACRIBE | 10 | Client ---> Server | 客戶端取消訂閱 |
| UNSUBACK | 11 | Server ---> Client | 服務端取消訂閱確認 |
| PINGREQ | 12 | Client ---> Server | 客戶端傳送心跳 |
| PINGRESP | 13 | Server ---> Client | 服務端回覆心跳 |
| DISCONNECT | 14 | Client ---> Server | 客戶端斷開連線請求 |
| 保留 | 15 | 禁用 | 保留 |
首位元組的低4位(bit3~bit0)用來表示某些報文型別的控制欄位，實際上只有少數報文型別有控制位，如下圖。
| 報文型別 | 固定頭標記 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | Bit 0 |
|---|---|---|---|---|---|
| CONNECT | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CONNACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBLISH | Used in MQTT 3.1.1 | DUP | QoS | QoS | RETAIN |
| PUBACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREC | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREL | 保留 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| PUBCOMP | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| SUBSCRIBE | 保留 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| SUBACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| UNSUBACRIBE | 保留 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| UNSUBACK | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGREQ | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGRESP | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| DISCONNECT | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
當釋出PUBLISH訊息時，如果DUP欄位(bit 3)設定為1，表明這是一條重複訊息，否則是第一次釋出訊息。為了保證訊息的可靠性傳遞，當QoS設定為1時，客戶端或伺服器釋出訊息時，需要得到對方的確認(PUBACK)，如果一段時間後沒收到PUBACK，那麼會再次傳送當前訊息，並將DUP欄位標記為1。
QoS用來表明QoS等級，如果Bit 1和Bit 2都為0，表示QoS 0。如果Bit 1為1，表示QoS 1。如果Bit 2為1，表示QoS 2。如果同時將Bit 1和Bit 2都設定成1，那麼客戶端或伺服器認為這是一條非法的訊息，會關閉當前連線。
目前Bit[3-0]只在PUBLISH協議中使用有效，並且表中指明瞭是MQTT 3.1.1版本。對於其它MQTT協議版本，內容可能不同。所有固定頭標記為"保留"的協議型別，Bit[3-0]必須保持與表中保持一致，如SUBSCRIBE協議，其Bit 1必須為1。如果接收方接收到非法的訊息，會強行關閉當前連線。
Remaining Length
Remaining Length意思是剩餘長度，即Variable Header + Payload的長度。剩餘長度從Byte 2開始，最長可達4位元組。所以剩餘長度範圍是Byte[2-5]。那麼怎樣確定其長度到底是1還是4呢，這取決於位元組的最高位Bit 7(預設都是高位元組在前)，如果這個值是1，那麼就繼續計算位元組長度，如果是0，那麼就不再計算位元組長度。
訊息長度可以簡單理解為128進位制的資料，4位長度最大可以表示128*128*128*128Byte=256MB。但是這個長度的計算有些特別，就是低位在前，高位在後(因為正常的表示方法是高位在前，低位在後)，位元組最高位Bit7用於標記是否需要繼續計算訊息長度。以下是訊息長度的長度範圍：
| 位元組 | 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) |
稍微注意一下，0x80=1000 0000，不是 1000。剛開始以為是1000，所以就沒明白。
舉個例子。
訊息假設長度是[0X60]，其二進位制是01100000，位元組最高位Bit7(從左邊起第0位)是0，所以不需要繼續往後計算。那麼訊息長度就是0X60，十進位制數是96。
如果訊息長度是[0XC1, 0XC2, 0X33]，那麼他們的二進位制分別如下，
0xC1=1100 0001
0xC2=1100 0010
0x33=0011 0011，
第一位元組最高位是1，那麼需要繼續向後計算，去掉標記位(0xC1%128)，得到100 0001=41
第二位元組最高位是1，那麼需要繼續向後計算，去掉標記位(0xC2%128)，得到100 0010=42
第三位元組最高位是0，不需要向後計算，其結果就是0x33=51
因為低位在前，高位在後，那麼長度計算為Length=41 + 42*128 + 51*128*128=841001 B = 821KB
需要注意的是，訊息長度=可變頭部長度+訊息內容長度。不包括首位元組和訊息長度本身，如果訊息長度為5，那麼說明這條訊息後邊還有5位元組，整條訊息長度為7(首位元組+1位長度位元組+5)。
另外如果訊息長度為4位元組，最後一位不能超過0X7F=127，因為如果超出這個值，其最高位Bit7是1，還需要往後計算，這與訊息最大長度為4位元組矛盾。所以如果出現[0XFF, 0XFF, 0XFF, 0XFF]這樣的訊息長度，那麼接收方認為這是一條非法的訊息。
Variable Header
Variable Header的意思是可變化的訊息頭部。有些報文型別包含可變頭部，如PUBLISH，SUBSCRIBE，CONNECT等等。可變頭部在固定頭部和訊息內容之間，其內容根據報文型別不同而不同。
Packet Identifier(訊息ID)是一種常見的可變頭部，一個訊息ID包含2位元組，高位元組在前，低位元組在後。包含Packet Identifier的協議型別包括：
| 報文型別 | 包含可變頭 |
|---|---|
| PUBLISH | YES(QoS > 0) |
| PUBACK | YES |
| PUBREC | YES |
| PUBREL | YES |
| PUBCOMP | YES |
| SUBSCRIBE | YES |
| SUBACK | YES |
| UNSUBSCRIBE | YES |
| UNSUBACK | YES |
訊息ID預設是從1開始並自增，如果一個訊息ID被用完後，這個訊息ID可以被重用。對於PUBLISH (QoS 1)來說，如果傳送端接收到PUBACK，那麼這個訊息ID就用完了。對於PUBLISH(QoS 2)，如果接收方收到PUBCOMP，那麼這個訊息ID就用完了。對於SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE，訊息ID使用完成的標記是傳送方收到了對應的SUBACK和UNSUBACK。
另外客戶端和服務端的訊息ID是獨立分配的，客戶端和服務端可以同時使用同一個訊息ID。比如
Client Server
PUBLISH Packet Identifier=0x1234--->
<--PUBLISH Packet Identifier=0x1234
PUBACK Packet Identifier=0x1234--->
<--PUBACK Packet Identifier=0x1234
複製程式碼上邊訊息客戶端給服務端傳送一條訊息，使用的訊息ID是0x1234，同時服務端給客戶端傳送了一條訊息，也使用了訊息ID 0x1234。然後客戶端回覆服務端，傳送PUBACK，最後是客戶端收到服務端的回覆PUBACK。
另外其它協議如CONNECT和CONNACK也有可變頭部，具體請參見MQTT-Packet CONNECT Variable Header
Payload
有些報文型別是包含Payload的，Payload意思是訊息載體的意思，如PUBLISH的Payload就是指訊息內容。而CONNECT的Payload則包含Client Identifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等資訊。具體請參見MQTT-Packet CONNECT Payload
包含Payload的報文型別如下：
| 報文型別 | 是否包含Payload |
|---|---|
| CONNECT | YES |
| PUBLISH | 可選 |
| SUBSCRIBE | YES |
| SUBACK | YES |
| UNSUBSCRIBE | YES |
除了上面列出的報文型別，其它的報文型別都沒有Payload。
抓包測試
我們使用Wire Shark抓包，來探測一下MQTT訊息內容。
1. 開啟Wireshark，選擇你的網路卡，新增以下過濾條件，並點選開始捕獲。
tcp.port==1883
複製程式碼2. 開啟終端，輸入以下命令，釋出一條訊息。如果你不理解一下命令，請參看我的前一篇文章MQTT快速入門
$ mosquitto_pub -d -p 1883 -h 10.69.94.176 -q 1 -t topic1 -m "Hello MQTT"
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 sending CONNECT
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 received CONNACK (0)
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 sending PUBLISH (d0, q1, r0, m1, 'topic1', ... (10 bytes))
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 received PUBACK (Mid: 1)
Client mosqpub|2052-SCNWCL0121 sending DISCONNECT
複製程式碼3. 進入Wireshark捕獲視窗，發現捕獲到了一些TCP和MQTT協議，如下：
4. 檢視其中一條MQTT訊息，比如Publish Message，點選這一行。檢視MQTT訊息內容。其位元組碼為
32 14 00 06 74 6f 70 69 63 31 00 01 48 65 6c 6c 6f 20 4d 51 54 54
複製程式碼5. 來具體看一下訊息內容
-
首位元組 0x32=0011 0010，對照首位元組中的表，4位高位元組為0011=3，表示PUBLISH，4位低位元組0010，分別表示DUP 0，QoS 1(佔兩位)，Retain 0。
-
Remaining Length 0x14=20，表示剩餘訊息長度為20。
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PUBLISH (QoS>0)報文訊息包含可變頭部，其可變頭部包含topic name和Packet Identifier。其格式為：
-
00 06表示topic name的長度，所以topic name長度是6
-
74 6f 70 69 63 31表示topic name的UTF8字串，其值為"topic1"。
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00 01是Packet Identifier，所以訊息ID為1。
-
48 65 6c 6c 6f 20 4d 51 54 54是Payload，表示“Hello MQTT"的UTF8位元組碼。
總結
我們介紹了MQTT協議的訊息格式，MQTT訊息格式包含Fixed Header， Variable Header和Payload。因為MQTT訊息格式非常精簡，所以可以高效的傳輸資料。
Fixed Header中包含首位元組，高4位用來表示報文型別，低4位用於型別控制。目前只有PUBLISH使用了型別控制欄位。其它控制欄位被保留並且必須與協議定義保持一致。
Fixed Header同時包含Remaining Length，這是剩餘訊息長度，最大長度為4位元組，理論上一條MQTT最大可以傳輸256MB資料。Remaining Length=Variable Header+Payload長度。
Variable Header是可變頭部，有些報文型別中需要包含可變頭部，可變頭部根據報文型別不同而不同。比如Packet Identifier在釋出，訂閱/取消訂閱等報文中都使用到。
Payload是訊息內容，也只在某些報文型別中出現，其內容和格式也根據報文型別不同而不同。