MQTT协议笔记之连接和心跳

比眉伴天荒 2021-06-24 13:57 371阅读 0赞

## 前言 ##

本篇会把连接(CONNECT)、心跳(PINGREQ/PINGRESP)、确认(CONNACK)、断开连接(DISCONNECT)和在一起。

## CONNECT ##

像前面所说，MQTT有关字符串部分采用的修改版的UTF-8编码，CONNECT可变头部中协议名称、消息体都是采用修改版的UTF-8编码。前面基本上可变头部内容不多，下面是一个较为完整的CONNECT消息结构：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th colspan="1">&nbsp;</th> 
   <th colspan="1">Description</th> 
   <th colspan="1">7</th> 
   <th colspan="1">6</th> 
   <th colspan="1">5</th> 
   <th colspan="1">4</th> 
   <th colspan="1">3</th> 
   <th colspan="1">2</th> 
   <th colspan="1">1</th> 
   <th colspan="1">0</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td colspan="10"><strong>Fixed header/固定头部</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">&nbsp;</td> 
   <td colspan="1">&nbsp;</td> 
   <td colspan="4">Message Type(1)</td> 
   <td colspan="1">DUP flag</td> 
   <td colspan="2">QoS level</td> 
   <td colspan="1">RETAIN</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1"> <p>byte 1</p> </td> 
   <td colspan="1">&nbsp;</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">x</td> 
   <td colspan="1">x</td> 
   <td colspan="1">x</td> 
   <td colspan="1">x</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 2</td> 
   <td colspan="10">Remaining Length</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10"><strong>Variable header</strong>/可变头部</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10">Protocol Name</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 1</td> 
   <td colspan="1">Length MSB (0)</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 2</td> 
   <td colspan="1">Length LSB (6)</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 3</td> 
   <td colspan="1">'M'</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 4</td> 
   <td colspan="1">'Q'</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 5</td> 
   <td colspan="1">'I'</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 6</td> 
   <td colspan="1">'s'</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 7</td> 
   <td colspan="1">'d'</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 8</td> 
   <td colspan="1">'p'</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10">Protocol Version Number</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 9</td> 
   <td colspan="1">Version (3)</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10">Connect Flags</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="2">&nbsp;</td> 
   <td colspan="1">User Name Flag</td> 
   <td colspan="1">Password Flag</td> 
   <td colspan="1">Will Retain</td> 
   <td colspan="2">Will QoS</td> 
   <td colspan="1">Will Flag</td> 
   <td colspan="1">Clean Session</td> 
   <td colspan="1">Reserved</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="2"> <p>byte 10</p> </td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">x</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10">Keep Alive timer</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 11</td> 
   <td colspan="1">Keep Alive MSB (0)</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">byte 12</td> 
   <td colspan="1">Keep Alive LSB (10)</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10"><strong>Payload/消息体</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10"> <p>Client Identifier(客户端ID)</p> 1-23个字符长度，客户端到服务器的全局唯一标志，如果客户端ID超出23个字符长度，服务器需要返回码为2，标识符被拒绝响应的CONNACK消息。<br> 处理QoS级别1和2的消息ID中，可以使用到。<br> 必填项。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10"> <p>Will Topic</p> Will Flag值为1，这里便是Will Topic的内容。QoS级别通过Will QoS字段定义，RETAIN值通过Will RETAIN标识，都定义在可变头里面。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10"> <p>Will Message</p> Will Flag若设为1，这里便是Will Message定义消息的内容，对应的主题为Will Topic。如果客户端意外的断开触发服务器PUBLISH此消息。<br> 长度有可能为0。<br> 在CONNECT消息中的Will Message是UTF-8编码的，当被服务器发布时则作为二进制的消息体。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10"> <p>User Name</p> 如果设置User Name标识，可以在此读取用户名称。一般可用于身份验证。协议建议用户名为不多于12个字符，不是必须。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="10"> <p>Password</p> 如果设置Password标识，便可读取用户密码。建议密码为12个字符或者更少，但不是必须。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 可变头部 ###

协议名称和协议版本都是固定的。

连接标志(Connect Flags)

一个字节表示，除了第1位是保留未使用，其它7位都具有不同含义。

业务上很重要，对消息总体流程影响很大，需要牢记。

Clean Session

0，表示如果订阅的客户机断线了，要保存为其要推送的消息（QoS为1和QoS为2），若其重新连接时，需将这些消息推送（若客户端长时间不连接，需要设置一个过期值）。 1，断线服务器即清理相关信息，重新连接上来之后，会再次订阅。

Will Flag

定义了客户端（没有主动发送DISCONNECT消息）出现网络异常导致连接中断的情况下，服务器需要做的一些措施。

简而言之，就是客户端预先定义好，在自己异常断开的情况下，所留下的最后遗愿（Last Will），也称之为遗嘱（Testament）。 这个遗嘱就是一个由客户端预先定义好的主题和对应消息，附加在CONNECT的可变头部中，在客户端连接出现异常的情况下，由服务器主动发布此消息。

只有在Will Flag位为1时，Will Qos和Will Retain才会被读取，此时消息体payload中要出现Will Topic和Will Message具体内容，否则，Will QoS和Will Retain值会被忽略掉。

Will Qos

两位表示，和PUBLISH消息固定头部的QoS level含义一样。这里先掠过，到PUBLISH消息再回过头来看看，会更明白些。

若标识了Will Flag值为1，那么Will QoS就会生效，否则会被忽略掉。

Will RETAIN

如果设置Will Flag，Will Retain标志就是有效的，否则它将被忽略。

当客户端意外断开服务器发布其Will Message之后，服务器是否应该继续保存。这个属性和PUBLISH固定头部的RETAIN标志含义一样，这里先掠过。

User name 和 password Flag：

用于授权，两者要么为0要么为1，否则都是无效。都为0，表示客户端可自由连接/订阅，都为1，表示连接/订阅需要授权。

Payload/消息体

消息体定义的消息顺序（如上表所示），约定俗成，不得更改，否则将可能引起混乱。

若Will Flag值为0，那么在payload中，Client Identifer后面就不会存在Will Topic和Will Message内容。

若User Name和Password都为0，意味着Payload/消息体中，找不到User Name和password的值，就算有，也是无效。标志决定着是否读取与否。

心跳时间(Keep Alive timer)

以秒为单位，定义服务器端从客户端接收消息的最大时间间隔。一般应用服务会在业务层次检测客户端网络是否连接，不是TCP/IP协议层面的心跳机制(比如开启SOCKET的SO\_KEEPALIVE选项)。 一般来讲，在一个心跳间隔内，客户端发送一个PINGREQ消息到服务器，服务器返回PINGRESP消息，完成一次心跳交互，继而等待下一轮。若客户端没有收到心跳反馈，会关闭掉TCP/IP端口连接，离线。 16位两个字节，可看做一个无符号的short类型值。最大值，2^16-1 = 65535秒 = 18小时。最小值可以为0，表示客户端不断开。一般设为几分钟，比如微信心跳周期为300秒。

Will Message编码

Will Message在CONNECT Payload/息体中，使用UTF-8编码。假设内容为“abcd”，大概如下：

有一点需要记住，PUBLISH的Payload/消息体中以二进制编码保存。

某刻客户端异常关闭触发服务器会PUBLISH此消息。那么服务器会直接把byte3-byte6之间字符取出，保存为二进制，附加到PUBLISH消息体中，大概存储如下：

另外，MQTT 3.1协议对Will message的说明很容易引起误解，3.1.1草案已经得到修正。

相关说明：

http://mqtt.org/wiki/doku.php/will*message*utf8\_support

https://tools.oasis-open.org/issues/browse/MQTT-2

### 连接异常中断通知机制 ###

CONNECT消息一旦设置在可变头部设置了Will flag标记，那就启用了Last-Will-And-Testament特性，此特性很赞。

一旦客户端出现异常中断，便会触发服务器发布Will Message消息到Will Topic主题上去，通知Will Topic订阅者，对方因异常退出。

### 接收CONNECT后的响应动作 ###

接收到CONNECT消息之后，服务器应该返回一个CONNACK消息作为响应：

1.  若客户端绕过CONNECT消息直接发送其它类型消息，服务器应关闭此非法连接 若客户端发送CONNECT之后未收到CONNACT，需要关闭当前连接，然后重新连接
2.  相同Client ID客户端已连接到服务器，先前客户端必须断开连接后，服务器才能完成新的客户端CONNECT连接 客户端发送无效非法CONNECT消息，服务器需要关闭

## CONNACK ##

一个完整的CONNACK消息大致如下：

可变头部第一个字节为保留，无甚用处。第二个字节为连接握手返回码：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <td colspan="1">返回值</td> 
   <td colspan="1">16进制</td> 
   <td colspan="1">含义</td> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td colspan="1">0</td> 
   <td colspan="1">0x00</td> 
   <td colspan="1">Connection Accepted</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">1</td> 
   <td colspan="1">0x01</td> 
   <td colspan="1">Connection Refused: unacceptable protocol version</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">2</td> 
   <td colspan="1">0x02</td> 
   <td colspan="1">Connection Refused: identifier rejected</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">3</td> 
   <td colspan="1">0x03</td> 
   <td colspan="1">Connection Refused: server unavailable</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">4</td> 
   <td colspan="1">0x04</td> 
   <td colspan="1">Connection Refused: bad user name or password</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">5</td> 
   <td colspan="1">0x05</td> 
   <td colspan="1">Connection Refused: not authorized</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1">6-255</td> 
   <td colspan="1">&nbsp;</td> 
   <td colspan="1">Reserved for future use</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

只有0-5目前被使用到，其他值有待日后使用。一般返回值为0x00，表示连接建立。非法的请求，需要返回相应的数值。

从上面看出，一个CONNACT，四个字节表示。一个正常的CONNACT消息实际内容可能如下： 0x20 0x02 0x00 0x00

若是在私有协议中，两个字节就足够了。

很多时候，客户端和服务器端在没有消息传递时，会一直保持着连接。虽然不能依靠TCP心跳机制（比如SO\_KEEPALIVE选项），业务层面定义心跳机制，会让连接状态检测、控制更为直观。

## PINGREQ ##

由客户端发送到服务器端，证明自己还在一直连接着呢。两个字节，固定值。

客户端会在一个心跳周期内发送一条PINGREQ消息到服务器端。

心跳频率在CONNECT可变头部“Keep Alive timer”中定义时间，单位为秒，无符号16位short表示。

## PINGRESP ##

服务器收到PINGREQ请求之后，会立即响应一个两个字节固定格式的PINGRESP消息。

服务器一般若在1.5倍的心跳周期内接收不到客户端发送的PINGREQ，可考虑关闭客户端的连接描述符。此时的关闭连接的行为和接收到客户端发送DISCONNECT消息的处理行为一致，但对客户端的订阅不会产生影响（不会清除客户端订阅数据），这个需要牢记。

若客户端发送PINGREQ之后的一个心跳周期内接收不到PINGRESP消息，可考虑关闭TCP/IP套接字连接。

## DISCONNECT ##

客户端主动发送到服务器端，表明即将关闭TCP/IP连接。此时要求服务器要完整、干净的进行断开处理，不能仅仅类似于关闭连接描述符类似草草处理之。 需要两个字节，值固定：

服务器要根据先前此客户端在发送CONNECT消息可变头部Connect flag中的“Clean session flag”所设置值，再次复习一下：

1.  值为0，服务器必须在客户端断开之后继续存储/保持客户端的订阅状态。这些状态包括：
    
     *  存储订阅的消息QoS1和QoS2消息
     *  正在发送消息期间连接丢失导致发送失败的消息
     *  以便当客户端重新连接时以上消息可以被重新传递。
2.  值为1，服务器需要立刻清理连接状态数据。

有一点需要牢记，服务器在接收到客户端发送的DISCONNECT消息之后，需要主动关闭TCP/IP连接。