MQTT协议数据包结构
1. 结构组成
官方文档中对于MQTT协议包的结构有着具体的说明：https://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v5.0/mqtt-v5.0.html
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，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。
2. 固定头（Fixed header）
固定头存在于所有MQTT数据包中， 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(从第二个字 节开始，长度为1-4字节)，剩余长度是当前包中剩余内容长度的字节数，包括变量头和有效负载中的数据）。剩余 长度不包含用来编码剩余长度的字节。
剩余长度使用了一种可变长度的结构来编码，这种结构使用单一字节表示0-127的值。大于127的值如下处 理。每个字节的低7位用来编码数据，最高位用来表示是否还有后续字节。因此每个字节可以编码128个值，再加 上一个标识位。剩余长度最多可以用四个字节来表示。
1. 数据包类型
位置：第一个字节(Byte 1) 中的7-4个bit位(Bit[7-4])，表示4位无符号值
通过第一个字节的高4位确定消息报文的类型，4个bit位能确定16种类型，其中0000和1111是保留字段。 MQTT消息报文类型如下：
2.标志位
位置：第一个字节中的0-3个bit位(Bit[3-0])。意思是字节位Bit[3-0]用作报文的标识。
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：
（1）：其中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。
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。
3. MQTT消息QoS
MQTT发布消息服务质量保证（QoS）不是端到端的，是客户端与服务器之间的。订阅者收到MQTT消息的 QoS级别，最终取决于发布消息的QoS和主题订阅的QoS。
Bit[0]为RETAIN字段，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。
3. 可变头(Variable Header)
可变头的意思是可变化的消息头部。有些报文类型包含可变头部有些报文则不包含。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。
1. 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。
支持多种协议的服务端使用协议名字段判断数据是否为MQTT报文。协议名必须是UTF-8字符串“MQTT”。如果服务端不愿意接受CONNECT但希望表明其MQTT服务端身份，可以发送包含原因码为0x84（不支持的协议版本）的CONNACK报文，然后必须关闭网络连接
2. 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）
3. 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。
1.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
2. 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
3. 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
4. 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。
5. 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。
4. 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Client Identifier，Will Topic，Will Message，Username，Password等信息。
包含payload的报文类型如下：
5. 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。
