1 MQTT 协议的通信模型
就像我们之前提到的那样，MQTT 的通信是发布/订阅的方式来实现的，消息的发布方和订阅方通过这种方式来进行解耦，他们没有直接地进行连接，它们需要一个中间方。在 MQTT 里面我们称之为 broker，用来进行消息的存储和转发。一次典型的 MQTT 消息通信的流程如下图所示：
- 发布方将消息发布到 broker
- broker 接收到消息后，检查都有哪些订阅方订阅了此消息，然后将消息发给这些订阅者
- 订阅方从 broker 获取该消息
2 MQTT client
任何终端，嵌入式设备也好，服务器也好，只要需要发布或订阅消息都称之为 MQTT 的 client。一个 client 可以同时是 publisher 和 subscriber。
3 MQTT Broker
broker 负责接收 publisher 的消息，并发送给相应的 subscriber，它是整个 MQTT 订阅/发布的核心。在实际应用中，一个 MQTT broker 还应该提供以下一些功能：
- 可以横向扩展，比如集群，来满足大量的 client 接入；
- 可以扩展接入业务系统；
- 易于监控，满足高可用性。
4 MQTT 协议数据包
MQTT 协议的数据包格式非常简单，一个 MQTT 协议数据包由下面三个部分组成：
- 固定头（Fixed header）：存在于所有的 MQTT 数据包中，用于表示数据包类型及对应标识，表明数据包大小；
- 可变头（Variable header）：存在于部分类型的 MQTT 数据包中，具体内容由相应类型的数据包决定；
- 消息体（Payload）：存在于部分 MQTT 数据包中，存储消息的具体数据。
接下来看一下固定头的格式，可变头和消息体我们将在讲解各种具体类型的 MQTT 协议数据包的时候 case by case 地讨论。
固定头格式：
固定头的第一个字节的高 4 位 bit 用于指定该数据包的类型，MQTT 的数据包有以下一些类型：
| 名称 | 值 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|---|
| Reserved | 0 | 不可用 | 保留位 |
| CONNECT | 1 | Client 到 Broker | Client 请求连接到 Broker |
| CONNACK | 2 | Broker 到 Client | 连接确认 |
| PUBLISH | 3 | 双向 | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | 双向 | 发布确认 |
| PUBREC | 5 | 双向 | 发布收到 |
| PUBREL | 6 | 双向 | 发布释放 |
| PUBCOMP | 7 | 双向 | 发布完成 |
| SUBSCRIBE | 8 | Client 到 Broker | Client 请求订阅 |
| SUBACK | 9 | Broker 到 Client | 订阅确认 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | Client 到 Broker | Client 请求取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | Broker 到 Client | 取消订阅确认 |
| PINGREQ | 12 | Client 到 Broker | PING 请求 |
| PINGRESP | 13 | Broker 到 Client | PING 应答 |
| DISCONNECT | 14 | Client 到 Broker | Client 主动中断连接 |
| Reserved | 15 | 不可用 | 保留位 |
固定头的低 4 位 bit 用于指定数据包的 Flag，不同的数据包类型，其 Flag 的定义是不一样的，每种数据包对应的 Flag 如下：
| 数据包 | 标识位 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | Bit 0 |
|---|---|---|---|---|---|
| CONNECT | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CONNACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBLISH | MQTT 3.1.1 使用 | DUP | QoS | QoS | RETAIN |
| PUBACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREC | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBREL | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PUBCOMP | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| SUBSCRIBE | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| SUBACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| UNSUBSCRIBE | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| UNSUBACK | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGREQ | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PINGRESP | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| DISCONNECT | 保留位 | 0 | 0 | 0 | 0 |
注意：DUP、QOS、RETAIN 标识的使用将在后续的课程中详细讲解。
从固定头的第 2 字节开始是用于标识 MQTT 数据包长度的字段，最少一个字节，最大四个字节，每一个字节的低 7 位用于标识值，范围为 0~127。最高位的 1 位是标识位，用来说明是否有后续字节来标识长度。例如：标识为 0，代表为没有后续字节；标识为 1，代表后续还有一个字节用于标识包长度。MQTT 协议规定最多可以用四个字节来标识包长度。
所以这四个字节最多可以标识的包长度为：(0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F) = 268435455 字节，约 256M，这个是 MQTT 协议中数据包的最大长度。
注意：Remain Length 的值不包含固定头的大小，包括第 1 字节和 Remain Length 字段。
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