MQTT 是基于 Publish/Subscribe 模式的物联网通信协议，凭借简单易实现、支持 QoS、报文小等特点，占据了物联网协议的半壁江山。
MQTT常用于物联网领域，基于订阅/发布模式，具有低开销，低带宽占用的特点


MQTT消息格式包含Fixed Header， Variable Header和Payload
MQTT消息格式非常精简，所以可以高效的传输数据。

Fixed Header中包含首字节，高4位用来表示报文类型，低4位用于类型控制。
目前只有PUBLISH使用了类型控制字段。其它控制字段被保留并且必须与协议定义保持一致。

Fixed Header同时包含Remaining Length，这是剩余消息长度，最大长度为4字节，理论上一条MQTT最大可以传输256MB数据。
Remaining Length=Variable Header+Payload长度。

Variable Header是可变头部，有些报文类型中需要包含可变头部，可变头部根据报文类型不同而不同。
比如Packet Identifier在发布，订阅/取消订阅等报文中都使用到。

Payload是消息内容，也只在某些报文类型中出现，其内容和格式也根据报文类型不同而不同。



MQTT遵循以下设计原则：
1.精简，不添加可有可无的功能；
2.发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递，解耦Client/Server模式，带来的好处在于不必预先知道对方的存在（ip/port），不必同时运行；
3.允许用户动态创建主题（不需要预先创建主题），零运维成本；
4.把传输量降到最低以提高传输效率；
5.把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内；
6.支持连续的会话保持和控制（心跳）；
7.理解客户端计算能力可能很低；
8.提供服务质量（ quality of service level：QoS）管理；
9.不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性（指的是应用层业务数据）。

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，具有以下主要的几项特性：

1.开放消息协议，简单易实现。
2.使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
3.对负载（协议携带的应用数据）内容屏蔽的消息传输。
4.基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。
  主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN 
5.消息服务质量（QoS）支持，可靠传输保证；
6. 1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。
7.在线状态感知：使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
  Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备，发送遗言的设备已经断开了连接。
  Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。


主题(Topic)以 ‘/’ 为分隔符区分不同的层级。
包含通配符 ‘+’ 或 ‘#’ 的主题又称为 主题过滤器(Topic Filters);

‘+’: 表示通配一个层级，例如a/+，匹配a/x, a/y
‘#’: 表示通配多个层级，例如a/#，匹配a/x, a/b/c/d
注: ‘+’ 通配一个层级，’#’ 通配多个层级(必须在末尾)。



 MQTT协议中的方法
 MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。
 这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。
 通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

（1）CONNECT：客户端连接到服务器
（2）CONNACK：连接确认
（3）PUBLISH：发布消息
（4）PUBACK：发布确认
（5）PUBREC：发布的消息已接收
（6）PUBREL：发布的消息已释放
（7）PUBCOMP：发布完成
（8）SUBSCRIBE：订阅请求
（9）SUBACK：订阅确认
（10）UNSUBSCRIBE：取消订阅
（11）UNSUBACK：取消订阅确认
（12）PINGREQ：客户端发送心跳
（13）PINGRESP：服务端心跳响应
（14）DISCONNECT：断开连接
（15）AUTH：认证




MQTT协议数据包结构

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。


（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，如连接，发布，订阅，心跳等。其中固定头是必须的，所有类型的MQTT协议中，都必须包含固定头。
（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。
    可变头部不是可选的意思，而是指这部分在有些协议类型中存在，在有些协议中不存在。

（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。
    与可变头一样，在有些协议类型中有消息内容，有些协议类型中没有消息内容。




MQTT消息报文类型

名字	值	流动方向	描述
Reserved	0	禁止	保留
Connect	1	客户端到服务端	客户端到服务端的连接请求
ConnACK	2	服务端到客户端	服务端对连接请求的响应
Publish	3	两个方向都允许	发布消息（QoS0）
puback	4	两个方向都允许	对QoS1发布消息的回应
pubRec	5	两个方向都允许	收到发布消息（QoS2保证传输第一步）
pubRel	6	两个方向都允许	释放发布消息（QoS2保证传输第二步）
pubComp	7	两个方向都允许	完成发布消息（QoS2保证传输第三步）
subscribe	8	客户端到服务端	客户端订阅请求
subBack	9	服务端到客户端	订阅请求的确认
unsubscribe	10	客户端到服务端	客户端取消订阅请求
unsubBack	11	服务端到客户端	取消订阅请求确认
pingReq	12	客户端到服务端	Ping（心跳）请求（保持连接）
pingResp	13	服务端到客户端	Ping（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


io.netty.handler.codec.mqtt.MqttMessageType


// MQTT Message Types.
public enum MqttMessageType {
    CONNECT(1),
    CONNACK(2),
    PUBLISH(3),
    PUBACK(4),
    PUBREC(5),
    PUBREL(6),
    PUBCOMP(7),
    SUBSCRIBE(8),
    SUBACK(9),
    UNSUBSCRIBE(10),
    UNSUBACK(11),
    PINGREQ(12),
    PINGRESP(13),
    DISCONNECT(14);



标志位


Bit[3]为DUP字段，如果该值为1，表明这个数据包是一条重复的消息；否则该数据包就是第一次发布的消息。
（2）：Bit[2-1]为Qos字段：
如果Bit 1和Bit 2都为0，表示QoS 0：至多一次；
如果Bit 1为1，表示QoS 1：至少一次；
如果Bit 2为1，表示QoS 2：只有一次；
如果同时将Bit 1和Bit 2都设置成1，那么客户端或服务器认为这是一条非法的消息，会关闭当前连接。



协议名
协议名是表示协议名MQTT的UTF-8编码的字符串。MQTT规范的后续版本不会改变这个字符串的偏移和长度。


协议版本
位无符号值表示客户端的版本等级。3.1.1版本的协议等级是4，MQTT v5.0的协议版本字段为5（0x05）

MQTT会话(Clean Session)

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，可以通过’Clean Session’标志设置会话。
‘Clean Session’设置为0，表示创建一个持久会话，在客户端断开连接时，会话仍然保持并保存离线消息，直到会话超时注销。
‘Clean Session’设置为1，表示创建一个新的临时会话，在客户端断开时，会话自动销毁。


Will Flag/Will Qos/Will Retain

如果Will Flag被设置为1，这意味着，如果连接请求被接受，服务端必须存储一个Will Message，并和网络连接关联起来。
之后在网络连接断开的时候必须发布Will Message，除非服务端收到DISCONNECT包删掉了Will Message

Will Message会在某些情况下发布，包括但不限于：
服务端发现I/O错误或网络失败。
客户端在Keep Alive时间内通信失败。
客户端没有发送DISCONNECT包就关闭了网络连接。
服务端因协议错误关闭了网络连接。

如果Will Flag被设置为1，连接标识中的Will QoS和Will Retain字段将会被服务端用到Will QoS这两个bit表示发布Will Message时使用QoS的等级
Will Retain这个bit表示Will Message在发布之后是否需要保留。
如果Will Flag设置为0，那么Will Retain必须是0

如果Will Flag设置为1：
如果Will Retain设置为0，那么服务端必须发布Will Message，不必保存
如果Will Retain设置为1，那么服务端必须发布Will Message，并保存

User Name Flag
如果User Name Flag设置为0，那么用户名不必出现在载荷中
如果User Name Flag设置为1，那么用户名必须出现在载荷中

Password Flag
如果Password Flag设置为0，那么密码不必出现在载荷中
如果Password Flag设置为1，那么密码必须出现在载荷中
如果User Name Flag设置为0，那么Password Flag必须设置为0

MQTT连接保活心跳
心跳的作用：
PINGREQ包从客户端发往服务端，可以用来：
1：在没有其他控制包从客户端发送给服务端的时候，告知服务端客户端的存活状态。
2：请求服务端响应，来确认服务端是否存活。
3：确认网络连接的有效性。PINGRESP包从服务端发送给客户端来响应PINGREQ包。它代表服务端是存活的。

MQTT客户端向服务器发起CONNECT请求时，通过KeepAlive参数设置保活周期。

Keep Alive是以秒为单位的时间间隔。
用2字节表示，它指的是客户端从发送完成一个控制包到开始发送下一个的最大时间间隔。
客户端有责任确保两个控制包发送的间隔不能超过Keep Alive的值。
如果没有其他控制包可发，客户端必须发送PINGREQ包。

客户端可以在任何时间发送PINGREQ包，不用关心Keep Alive的值，用PINGRESP来判断与服务端的网络连接是否正常。

如果Keep Alive的值非0，而且服务端在一个半Keep Alive的周期内没有收到客户端的控制包，服务端必须作为网络故障断开网络连接。

如果客户端在发送了PINGREQ后，在一个合理的时间都没有收到PINGRESP包，客户端应该关闭和服务端的网络连接。

Keep Alive的值为0，就关闭了维持的机制。这意味着，在这种情况下，服务端不会断开静默的客户端。

MQTT遗愿消息(Last Will)
MQTT客户端向服务器端CONNECT请求时，可以设置是否发送遗愿消息(Will Message)标志，和遗愿消息主题(Topic)与内容(Payload)。

MQTT客户端异常下线时(客户端断开前未向服务器发送DISCONNECT消息)，MQTT消息服务器会发布遗愿消息。

常见的一种可变头比如：Packet Identifier(消息ID)
一个消息ID包含2字节，高字节在前，低字节在后。
包含Packet Identifier的协议类型包括：

PUBLISH( QoS > 0 )、 PUBACK 、 PUBREC 、 PUBREL 、 PUBCOMP 、 SUBSCRIBE 、 SUBACK 、
UNSUBSCRIBE 、 UNSUBACK

消息ID默认是从1开始并自增，如果一个消息ID被用完后，这个消息ID可以被重用。
对于PUBLISH (QoS 1)来说，如果发送端接收到PUBACK，那么这个消息ID就用完了。
对于PUBLISH(QoS 2)，如果接收方收到PUBCOMP，那么这个消息ID就用完了。
对于SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE，消息ID使用完成的标记是发送方收到了对应的SUBACK和UNSUBACK。

另外客户端和服务端的消息ID是独立分配的，客户端和服务端可以同时使用同一个消息ID。

消息体(Payload)

有些报文类型是包含Payload的，Payload意思是消息载体的意思

如PUBLISH的Payload就是指消息内容（应用程序发布的消息内容）。
而CONNECT的Payload则包含ClientIdentifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息。


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