内容简介:虽然学习协议是枯燥的,但是熟悉协议本身却是很重要的事情。如果能把其细节弄清楚,并且配合一些实验来学习,就不会那么枯燥了。MQTT协议是应用层协议,需要借助TCP/IP协议进行传输,类似HTTP协议。MQTT协议也有自己的格式,如下表:Fixed Header:固定头部,MQTT协议分很多种类型,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。
虽然学习协议是枯燥的,但是熟悉协议本身却是很重要的事情。如果能把其细节弄清楚,并且配合一些实验来学习,就不会那么枯燥了。
消息报文格式
MQTT协议是应用层协议,需要借助TCP/IP协议进行传输,类似HTTP协议。MQTT协议也有自己的格式,如下表:
Fixed Header | Variable Header | Payload |
Fixed Header:固定头部,MQTT协议分很多种类型,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。
**Variable Header:**可变头部,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。
**Payload:**消息载体,就是消息内容。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。
固定头
固定头包含两部分内容,首字节(字节1)和剩余消息报文长度(1-4字节)。
Bit | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
字节1 | MQTT Control Packet type | Flags specific to each MQTT Control Packet type | ||||||
字节2... | Remaining Length |
为了避免翻译不准确,这里都使用官方的原始术语。其中MQTT Control Packet type可以简单理解为字节位Bit[7-4]用于确定报文类型。Flags specific to each MQTT Control Packet type意思是字节位Bit[3-0]用作某些报文的特殊标记。
首字节
首字节用于表示MQTT消息的报文类型以及某些类型的控制标记,如上图。高4位(bit7~bit4)表示协议类型,总共可以表示16种协议类型,其中0000和1111是保留字段。MQTT消息报文类型如下。
报文类型 | 字段值 | 数据方向 | 描述 |
保留 | 0 | 禁用 | 保留 |
CONNECT | 1 | Client--->Server | 客户端请求连接到服务器 |
CONNACK | 2 | Server--->Client | 连接确认 |
PUBLISH | 3 | Client<--->Server | 发布消息 |
PUBACK | 4 | Client<--->Server | 发布确认 |
PUBREC | 5 | Client<--->Server | 消息已接收(可靠性传输第一阶段) |
PUBREL | 6 | Client<--->Server | 释放消息(可行性传输第二阶段) |
PUBCOMP | 7 | Client<--->Server | 发布结束(可靠性传输第三阶段) |
SUBSCRIBE | 8 | Client--->Server | 客户端订阅请求 |
SUBACK | 9 | Server--->Client | 订阅确认 |
UNSUBSCRIBE | 10 | Client--->Server | 客户端订阅请求 |
UNSUBACK | 11 | Server--->Client | 服务器取消订阅回复 |
PINGREQ | 12 | Client--->Server | 客户端发送心跳请求 |
PINGRESP | 13 | Server--->Client | 服务器回复心跳 |
DISCONNECT | 14 | Client--->Server | 断开连接请求 |
保留 | 0 | 禁用 | 保留 |
首字节的低4位(bit3~bit0)用来表示某些报文类型的控制字段,实际上只有少数报文类型有控制位,如下图。
报文类型 | 固定头标记 | 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 |
CONNECT | 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 |
UNSUBSCRIBE | 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 |
CONNECT | 保留 | 0 | 0 | 0 | 0 |
当发布PUBLISH消息时,如果DUP字段(bit 3)设置为1,表明这是一条重复消息,否则是第一次发布消息。为了保证消息的可靠性传递,当QoS设置为1时,客户端或服务器发布消息时,需要得到对方的确认(PUBACK),如果一段时间后没收到PUBACK,那么会再次发送当前消息,并将DUP字段标记为1。
QoS用来表明QoS等级,如果Bit 1和Bit 2都为0,表示QoS 0。如果Bit 1为1,表示QoS 1。如果Bit 2为1,表示QoS 2。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。
目前Bit[3-0]只在PUBLISH协议中使用有效,并且表中指明了是MQTT 3.1.1版本。对于其它MQTT协议版本,内容可能不同。所有固定头标记为"保留"的协议类型,Bit[3-0]必须保持与表中保持一致,如SUBSCRIBE协议,其Bit 1必须为1。如果接收方接收到非法的消息,会强行关闭当前连接。
Remaining Length
Remaining Length意思是剩余长度,即Variable Header + Payload的长度。剩余长度从Byte 2开始,最长可达4字节。所以剩余长度范围是Byte[2-5]。那么怎样确定其长度到底是1还是4呢,这取决于字节的最高位Bit 7(默认都是高字节在前),如果这个值是1,那么就继续计算字节长度,如果是0,那么就不再计算字节长度。
消息长度可以简单理解为128进制的数据,4位长度最大可以表示128*128*128*128Byte=256MB。但是这个长度的计算有些特别,就是低位在前,高位在后(因为正常的表示方法是高位在前,低位在后),字节最高位Bit7用于标记是否需要继续计算消息长度。以下是消息长度的长度范围:
字节 | 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。刚开始以为是1000,所以就没明白。
举个例子。
消息假设长度是[0X60],其二进制是01100000,字节最高位Bit7(从左边起第0位)是0,所以不需要继续往后计算。那么消息长度就是0X60,十进制数是96。
如果消息长度是[0XC1, 0XC2, 0X33],那么他们的二进制分别如下,
0xC1=1100 0001
0xC2=1100 0010
0x33=0011 0011,
第一字节最高位是1,那么需要继续向后计算,去掉标记位(0xC1%128),得到100 0001=41
第二字节最高位是1,那么需要继续向后计算,去掉标记位(0xC2%128),得到100 0010=42
第三字节最高位是0,不需要向后计算,其结果就是0x33=51
因为低位在前,高位在后,那么长度计算为Length=41 + 42*128 + 51*128*128=841001 B = 821KB
需要注意的是,消息长度=可变头部长度+消息内容长度。不包括首字节和消息长度本身,如果消息长度为5,那么说明这条消息后边还有5字节,整条消息长度为7(首字节+1位长度字节+5)。
另外如果消息长度为4字节,最后一位不能超过0X7F=127,因为如果超出这个值,其最高位Bit7是1,还需要往后计算,这与消息最大长度为4字节矛盾。所以如果出现[0XFF, 0XFF, 0XFF, 0XFF]这样的消息长度,那么接收方认为这是一条非法的消息。
Variable Header
Variable Header的意思是可变化的消息头部。有些报文类型包含可变头部,如PUBLISH,SUBSCRIBE,CONNECT等等。可变头部在固定头部和消息内容之间,其内容根据报文类型不同而不同。
Packet Identifier(消息ID)是一种常见的可变头部,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:
报文类型 | 包含可变头 |
---|---|
PUBLISH | YES(QoS > 0) |
PUBACK | YES |
PUBREC | YES |
PUBREL | YES |
PUBCOMP | YES |
SUBSCRIBE | YES |
SUBACK | YES |
UNSUBSCRIBE | YES |
UNSUBACK | YES |
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。比如
Client Server PUBLISH Packet Identifier=0x1234---> <--PUBLISH Packet Identifier=0x1234 PUBACK Packet Identifier=0x1234---> <--PUBACK Packet Identifier=0x1234 复制代码
上边消息客户端给服务端发送一条消息,使用的消息ID是0x1234,同时服务端给客户端发送了一条消息,也使用了消息ID 0x1234。然后客户端回复服务端,发送PUBACK,最后是客户端收到服务端的回复PUBACK。
另外其它协议如CONNECT和CONNACK也有可变头部,具体请参见 MQTT-Packet CONNECT Variable Header
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。而CONNECT的Payload则包含Client Identifier,Will Topic,Will Message,Username,Password等信息。具体请参见 MQTT-Packet CONNECT Payload
包含Payload的报文类型如下:
报文类型 | 是否包含Payload |
---|---|
CONNECT | YES |
PUBLISH | 可选 |
SUBSCRIBE | YES |
SUBACK | YES |
UNSUBSCRIBE | YES |
除了上面列出的报文类型,其它的报文类型都没有Payload。
抓包测试
我们使用Wire Shark抓包,来探测一下MQTT消息内容。
1. 打开Wireshark,选择你的网卡,添加以下过滤条件,并点击开始捕获。
tcp.port==1883 复制代码
2. 打开终端,输入以下命令,发布一条消息。如果你不理解一下命令,请参看我的前一篇文章MQTT快速入门
$ 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 复制代码
3. 进入Wireshark捕获窗口,发现捕获到了一些TCP和MQTT协议,如下:
4. 查看其中一条MQTT消息,比如Publish Message,点击这一行。查看MQTT消息内容。其字节码为
32 14 00 06 74 6f 70 69 63 31 00 01 48 65 6c 6c 6f 20 4d 51 54 54 复制代码
5. 来具体看一下消息内容
-
首字节 0x32=0011 0010,对照首字节中的表,4位高字节为0011=3,表示PUBLISH,4位低字节0010,分别表示DUP 0,QoS 1(占两位),Retain 0。
-
Remaining Length 0x14=20,表示剩余消息长度为20。
-
PUBLISH (QoS>0)报文消息包含可变头部,其可变头部包含topic name和Packet Identifier。其格式为:
-
00 06表示topic name的长度,所以topic name长度是6
-
74 6f 70 69 63 31表示topic name的UTF8字符串,其值为"topic1"。
-
00 01是Packet Identifier,所以消息ID为1。
-
48 65 6c 6c 6f 20 4d 51 54 54是Payload,表示“Hello MQTT"的UTF8字节码。
总结
我们介绍了MQTT协议的消息格式,MQTT消息格式包含Fixed Header, Variable Header和Payload。因为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。
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