mqtt协议理解（结合libemqtt，subscribe部分）

1. connect
在libemqtt代码中，客户端的connect代码是调用的mqtt_connect函数，代码如下：

int mqtt_connect(mqtt_broker_handle_t* broker){uint8_t flags = 0x00;uint16_t clientidlen = strlen(broker->clientid);uint16_t usernamelen = strlen(broker->username);uint16_t passwordlen = strlen(broker->password);uint16_t payload_len = clientidlen + 2;// Preparing the flagsif(usernamelen) {payload_len += usernamelen + 2;flags |= MQTT_USERNAME_FLAG;}if(passwordlen) {payload_len += passwordlen + 2;flags |= MQTT_PASSWORD_FLAG;}if(broker->clean_session) {flags |= MQTT_CLEAN_SESSION;}// Variable headeruint8_t var_header[] = {0x00,0x06,0x4d,0x51,0x49,0x73,0x64,0x70, // Protocol name: MQIsdp0x03, // Protocol versionflags, // Connect flagsbroker->alive>>8, broker->alive&0xFF, // Keep alive};   // Fixed header    uint8_t fixedHeaderSize = 2;    // Default size = one byte Message Type + one byte Remaining Length    uint8_t remainLen = sizeof(var_header)+payload_len;    if (remainLen > 127) {        fixedHeaderSize++;          // add an additional byte for Remaining Length    }    uint8_t fixed_header[fixedHeaderSize];        // Message Type    fixed_header[0] = MQTT_MSG_CONNECT;    // Remaining Length    if (remainLen <= 127) {        fixed_header[1] = remainLen;    } else {        // first byte is remainder (mod) of 128, then set the MSB to indicate more bytes        fixed_header[1] = remainLen % 128;        fixed_header[1] = fixed_header[1] | 0x80;        // second byte is number of 128s        fixed_header[2] = remainLen / 128;    }uint16_t offset = 0;uint8_t packet[sizeof(fixed_header)+sizeof(var_header)+payload_len];memset(packet, 0, sizeof(packet));memcpy(packet, fixed_header, sizeof(fixed_header));offset += sizeof(fixed_header);memcpy(packet+offset, var_header, sizeof(var_header));offset += sizeof(var_header);// Client ID - UTF encodedpacket[offset++] = clientidlen>>8;packet[offset++] = clientidlen&0xFF;memcpy(packet+offset, broker->clientid, clientidlen);offset += clientidlen;if(usernamelen) {// Username - UTF encodedpacket[offset++] = usernamelen>>8;packet[offset++] = usernamelen&0xFF;memcpy(packet+offset, broker->username, usernamelen);offset += usernamelen;}if(passwordlen) {// Password - UTF encodedpacket[offset++] = passwordlen>>8;packet[offset++] = passwordlen&0xFF;memcpy(packet+offset, broker->password, passwordlen);offset += passwordlen;}// Send the packetif(broker->send(broker->socket_info, packet, sizeof(packet)) < sizeof(packet)) {return -1;}return 1;}

首先是fixed header，fixed header为两字节，按照协议来说第一个字节应该是0x10，第二字节是剩余数据长度，也就是remain length。然后是variable header，variable header定义如下：

uint8_t var_header[] = {0x00,0x06,0x4d,0x51,0x49,0x73,0x64,0x70, // Protocol name: MQIsdp0x03, // Protocol versionflags, // Connect flagsbroker->alive>>8, broker->alive&0xFF, // Keep alive};

首先是协议的名字，长度为6个字节，协议名字这里为"MQIsdp"，同mqtt v3.1.1协议上有点区别，在v3.1.1上是"MQTT"。然后是协议版本和flags，这里协议版本是0x03。最后是keep alive，keep alive这里为30。

注意，上面variable header长度总共为12字节。

最后是payload，payload_len为clientidlen + 2（当然这里的username和password都是没有的），而这里的clientid为"client-id"，长度为9字节，加上2字节，那么payload_len值就为11，也就是说前面的remain length就为12+11=23，那么payload又是什么呢？payload部分，前两字节为payload的长度，也就是9字节，后面是"client-id"，那么packet组成了，调用socket的send函数将数据发送出去。


2. connack
发送了connect数据包之后，自然是等待服务器端向客户端发送connack数据包，这里调用的是read_packet函数，代码如下：

int read_packet(int timeout){if(timeout > 0){fd_set readfds;struct timeval tmv;// Initialize the file descriptor setFD_ZERO (&readfds);FD_SET (socket_id, &readfds);// Initialize the timeout data structuretmv.tv_sec = timeout;tmv.tv_usec = 0;// select returns 0 if timeout, 1 if input available, -1 if errorif(select(1, &readfds, NULL, NULL, &tmv))return -2;}int total_bytes = 0, bytes_rcvd, packet_length;memset(packet_buffer, 0, sizeof(packet_buffer));if((bytes_rcvd = recv(socket_id, (packet_buffer+total_bytes), RCVBUFSIZE, 0)) <= 0) {return -1;}total_bytes += bytes_rcvd; // Keep tally of total bytesif (total_bytes < 2)return -1;// now we have the full fixed header in packet_buffer// parse it for remaining length and number of bytesuint16_t rem_len = mqtt_parse_rem_len(packet_buffer);uint8_t rem_len_bytes = mqtt_num_rem_len_bytes(packet_buffer);//packet_length = packet_buffer[1] + 2; // Remaining length + fixed header length// total packet length = remaining length + byte 1 of fixed header + remaning length part of fixed headerpacket_length = rem_len + rem_len_bytes + 1;while(total_bytes < packet_length) // Reading the packet{if((bytes_rcvd = recv(socket_id, (packet_buffer+total_bytes), RCVBUFSIZE, 0)) <= 0)return -1;total_bytes += bytes_rcvd; // Keep tally of total bytes}return packet_length;}

这个函数主要是从服务器端读取数据的，核心是socket的recv函数。首先是超时处理，这里使用的是select系统调用，然后调用recv接收数据，解析出remain length和remain length所占字节数，如果还有数据未接收完毕，继续调用recv函数，最终数据是读取到全局变量packet_buffer中的，并返回读取的数据长度。

这里我把接收到的数据给dump出来了，数据是：
20 02 00 00

对照协议呢，第一个字节为packet的类型，这里为CONNACK，然后是remain length，这里为2。然后是variable header，第一个字节flags为0，第二字节为return code，return code有：

通过返回值可以看出，我们这里是连接成功了的。


3. subscribe
既然连接已经成功了，自然是发送订阅消息，这里调用的是mqtt_subscribe函数，代码如下：

int mqtt_subscribe(mqtt_broker_handle_t* broker, const char* topic, uint16_t* message_id) {uint16_t topiclen = strlen(topic);// Variable headeruint8_t var_header[2]; // Message IDvar_header[0] = broker->seq>>8;var_header[1] = broker->seq&0xFF;if(message_id) { // Returning message id*message_id = broker->seq;}broker->seq++;// utf topicuint8_t utf_topic[topiclen+3]; // Topic size (2 bytes), utf-encoded topic, QoS bytememset(utf_topic, 0, sizeof(utf_topic));utf_topic[0] = topiclen>>8;utf_topic[1] = topiclen&0xFF;memcpy(utf_topic+2, topic, topiclen);// Fixed headeruint8_t fixed_header[] = {MQTT_MSG_SUBSCRIBE | MQTT_QOS1_FLAG, // Message Type, DUP flag, QoS level, Retainsizeof(var_header)+sizeof(utf_topic)};uint8_t packet[sizeof(var_header)+sizeof(fixed_header)+sizeof(utf_topic)];memset(packet, 0, sizeof(packet));memcpy(packet, fixed_header, sizeof(fixed_header));memcpy(packet+sizeof(fixed_header), var_header, sizeof(var_header));memcpy(packet+sizeof(fixed_header)+sizeof(var_header), utf_topic, sizeof(utf_topic));// Send the packetif(broker->send(broker->socket_info, packet, sizeof(packet)) < sizeof(packet)) {return -1;}return 1;}

协议上说了fixed header第一字节为0x82，第二字节为remain length。

variable header这里只占两字节，含义是Packet Identifier，这里是从1开始的，每订阅一条消息这个值会加1（broker->seq++）。

payload部分，前两字节为payload数据的长度，然后是订阅的主题，这里是"public/test/topic"，最后一字节是同QoS相关的。那么payload总共就有17+3=20字节，那么fixed header的reamin length就为20+2=22。


4. suback
发送了subscribe消息之后，还需要等待一个ack消息进行确认，这里还是调用的read_packet函数，接收到的数据如下：
90 03 00 01 00

第一字节为fixed header中的包类型，然后是reamin length为3。variable header有两字节，含义是Packet Identifier，即服务器端又把这个数据返回给我们了（从1开始）。payload是一个返回代码，这里为0x00。

在客户端接收到这个数据包之后，首先判断这个包是不是SUBACK类型包，然后判断发送过去的Packet Identifier和接收到的是否相同，如果一切OK，那么客户端这部分有个while死循环，来接收服务器端发送过来的消息，这部分代码如下：

while(1){// <<<<<packet_length = read_packet(0);if(packet_length == -1){fprintf(stderr, "Error(%d) on read packet!\n", packet_length);return -1;}else if(packet_length > 0){printf("Packet Header: 0x%x...\n", packet_buffer[0]);if(MQTTParseMessageType(packet_buffer) == MQTT_MSG_PUBLISH){uint8_t topic[255], msg[1000];uint16_t len;len = mqtt_parse_pub_topic(packet_buffer, topic);topic[len] = '\0'; // for printflen = mqtt_parse_publish_msg(packet_buffer, msg);msg[len] = '\0'; // for printfprintf("%s %s\n", topic, msg);}}}

5. publish
当调用命令mosquitto_pub -t public/test/topic -m "hello world"之后，将发布一条主题为"public/test/topic"的消息，订阅者这边接收到的数据如下：
30 1e 00 11 70 75 62 6c 69 63 2f 74 65 73 74 2f 74 6f 70 69 63 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

fixed header部分第一字节为包类型，这里为0x30，然后是remain length为30。

然后是variable header部分，variable header可能包含两部分，一是发布消息的主题，二是Packet Identifier，这个同QoS相关，这里没有这部分。

发布消息的主题，前两字节为长度，紧跟着是主题，这里为"public/test/topic"，共17字节。

payload部分当然是发布的消息，这里为"hello world"，共11字节。


6. puback
puback消息不是必须的，还是同Qos有关：



7. disconnect
disconnect这里调用的是mqtt_disconnect函数，代码如下：

int mqtt_disconnect(mqtt_broker_handle_t* broker) {uint8_t packet[] = {MQTT_MSG_DISCONNECT, // Message Type, DUP flag, QoS level, Retain0x00 // Remaining length};// Send the packetif(broker->send(broker->socket_info, packet, sizeof(packet)) < sizeof(packet)) {return -1;}return 1;}

根据协议来看，这个消息相对比较简单，只有fixed header，第一字节为0xe0，第二字节为0x00。


总结：根据代码来看mqtt协议相对于来说还是比较简单的。