一、MQTT协议简介

1. MQTT协议概念

• MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于订阅/发布（Subscribe/Publish）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，在1999年，由IBM发布；
• MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，位连接远程设备提供实时可靠的消息服务；

2.MQTT基本格式

固定报头（fixed header） + 可变报头（variable header） + 荷载(payload)

（1）固定报头（所有类型的MQTT报文都有）

• 固定报头的构成：
  • 消息类型和标志位（1字节）

    • 前4位(4~7位），表示消息类型（共14种），即定义消息的功能，例如：
      

    • 后4位（0~3位）：标志位（不同的消息类型有不同的定义），例如：
      
      DUP：为0时表示PUBLISH报文是第1次发送，为1时表示PUBLISH报文是重发报文；
      QoS表示通信质量，共有三个等级：
      QoS0（最多发送一次）；
      QoS1（至少发送一次，未收到PUBACK报文时，可能重复发送）；
      QoS2（只发送一次，并且保证报文有发送到）；
      RETAIN：设置Retain=1，服务器会将该消息持久化存储，并在后续有新订阅者订阅该主题时，将消息重新发送给新订阅者；设置Retain=0，消息仅实时传递给当前在线的订阅者，不存储（仅在PUBLISH消息中有效）；

  • 剩余长度（1~4字节）
    • 表示整个消息剩余部分（可变报头+荷载，即不包含固定报头）的长度；
    • 编码方式：
      • 每个字节低7位表示存储数值；最高位为1，表示后面还有更多字节，为0，表示当前是最后一个字节；
      • 可表示的最大值为2^28 -1
      • 例如：剩余长度为3个字节：
        0b 1110 0111 = 0xE7 —> 0x67
        0b 1000 1101 = 0x8D —>0x0D
        0b 0001 0001 = 0x11 —>0x11
        则剩余长度值len = 0x67 + (0x0D << 7) + (0x11 << 14)

（2）可变报头、荷载（部分类型的MQTT报文有），各报文情况如下

1） CONNECT与CONNECTACK报文（连接和连接回复报文）：

• CONNECT报文报文是客户端向服务器发起请求连接的报文------>服务器会验证其中的消息并返回CONNECTACK报文告知客户端结果；
• CONNECT报文包含：固定包头 + 可变包头 + 消息荷载；
  
  协议名长度：高字节固定为0，低字节为0x04或0x06；
  协议名：MQTT或MQIsdp（3.1.1以后的版本就是MQTT）；
  协议等级：3（MQTT3.1）、4（MQTT3.1.1）、5（MQTT5.0）；
  连接标志：用于指示payload荷载由哪些内容组成；
  保持连接时间（即保活时间）：一般为30~1200秒；
  • 连接标志：
    
    连接标志对应位为1，则在payload荷载中就包含对应的内容；
    如果连接标志包含所有内容，payload荷载必须按 客户端标识符 + 遗嘱主题 + 遗嘱消息 + 用户名 + 密码这个顺序排列；
    遗嘱功能：当服务器检测到客户端非正常断开连接时，就会向客户端遗嘱主题发布相应的遗嘱消息；
    Clean Session：清理会话标志位；CleanSession=1，客户端与服务器的会话在断开后不保留，服务器会清除该客户端的所有未处理消息、订阅关系等状态；CleanSession=0，客户端与服务器的会话在断开后保留，服务器会维护客户端的订阅关系、未送达的 QoS 1/2 消息等状态，以便客户端重新连接时恢复；
• CONNECTACK报文包含：固定包头 + 可变包头；
  
  会话存在标志（Session Present）：
  • 当客户端在 CONNECT 报文中把 CleanSession 标志设为 0，并且服务器中存在该客户端之前的会话时，Session Present 标志为 1。这表明服务器已恢复该客户端之前的会话，客户端可以继续使用之前的订阅信息和未处理完的消息；
  • 若客户端在 CONNECT 报文中将 CleanSession 标志设为 0，且服务器中不存在该客户端之前的会话，Session Present 标志为 0。这表明客户端请求恢复会话，但服务器没有找到对应会话，此次连接是一个新的会话开始；
  • 当客户端在 CONNECT 报文中将 CleanSession 标志设为 1，服务器返回的 CONNECTACK 报文中 Session Present 标志为 0，意味着服务器不会保留与该客户端相关的会话状态，客户端和服务器之间建立的是全新会话；

2)PUBLISH与SUBSCRIBE报文（发布和订阅报文）

二、ESP32 连接MQTT服务器