前言：

關於MQTT的學習我是參照的MQTT V3.1版本。
這裡有MQTT V3.1的線上版本：線上版本
官方下載地址：PDF格式版本
我就是看這個官方的英文文件學習的，其實我這部落格基本上就是翻譯和總結了這個協議文件。

Message format

每個MQTT訊息頭命令訊息包含一個Fixed header (固定頭部)。一些資訊還需要一個Variable header(可變頭部)和Payload(有效載荷)。訊息頭每個部分的格式描述在以下部分:

1. Fixed header

每個MQTT訊息頭命令訊息包含一個固定頭部。2個位元組（16個字）。如下表顯示：

Byte 1

包含訊息型別和標誌(DUP、QoS級別和保留)欄位。

1. Mesage Type

Postion: byte 1, bits 7-4
表示為4位無符號值，MQTT V3.1版本的協議列舉在下表：

除去0和15位置屬於保留，總共14種事件型別。

2. DUP flag(開啟標誌)

Postion: byte 1, bits 3
保證訊息可靠傳輸，預設為0，只佔用一個bit,表示第一次傳送，不能用來檢測訊息重複傳送，在客戶端或者伺服器端嘗試重發PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE訊息，注意需要滿足以下條件：
當QoS > 0
訊息需要回復確認

此時，在可變頭部需要包含訊息ID。當值為1時，表示當前訊息先前已經被傳送過。

3. QoS level ( Quality of Service)

Postion: byte 1, bits 2-1
這個標誌使用兩個2進製表示PUBLISH型別的訊息：

4. RETAIN(保持)

Postion: byte 1, bits 0
這個標誌位僅針對PUBLISH訊息。
僅針對PUBLISH訊息。不同值，不同含義：
1：表示傳送的訊息需要一直持久儲存（不受伺服器重啟影響），不但要傳送給當前的訂閱者，並且以後新來的訂閱了此Topic name的訂閱者會馬上得到推送。
備註：新來乍到的訂閱者，只會取出最新的一個RETAIN flag = 1的訊息推送。
0：僅僅為當前訂閱者推送此訊息。

假如伺服器收到一個空訊息體(zero-length payload)、RETAIN = 1、已存在Topic name的PUBLISH訊息，伺服器可以刪除掉對應的已被持久化的PUBLISH訊息。

Byte 2

1. Remaining Length

(至少一個位元組)包含剩餘的長度欄位。在以下部分中會描述這部分欄位。所有資料值都在高位優先順序:高位位元組在前，低位位元組在後。提出了一種16位字作為最重要的位元組(MSB),其次是最低有效位元組(LSB)。
在當前訊息中剩餘的byte(位元組)數，包含可變頭部和負荷(稱之為內容/body，更為合適)。單個位元組最大值：01111111，16進位制：0x7F，10進製為127。
單個位元組為什麼不能是11111111（0xFF）呢？
因為MQTT協議規定，第八位（最高位）若為1，則表示還有後續位元組存在。同時MQTT協議最多允許4個位元組表示剩餘長度。那麼最大長度為：0xFF,0xFF,0xFF,0x7F，二進位制表示為:11111111,11111111,11111111,01111111，十進位制：268435455
比如：十進位制的321是需要用兩個位元組來表示（65 + 2*128 ），轉換成十六進位制是0xFF ,0x41,(網路位元組順序)。
byte=261120KB=256MB=0.25GB 四個位元組之間值的範圍：

1、一個十進位制編碼數轉換成Remaining Length（不確定的位元組值的演算法）如下：

do
{
  digit = X MOD 128
  X = X DIV 128
  // if there are more digits to encode, set the top bit of this digit
  if ( X > 0 )
    digit = digit OR 0x80
  endif
  //'output' digit
  }
while ( X> 0 )

這裡的“MOD”表示：按模運算子（% in C）,
“DIV”表示：整除演算法( / in C )
“OR”表示：是按位或（| in C）。
***digit是以位元組為單位的Remaining Length。***digit對val求模，最大值可能是127，一旦127 | 10000000 = 11111111 = 0xff = 255
請注意： Remaining Length（剩餘長度），只在Fixed header （固定頭部）中，無論是一個位元組，還是四個位元組，不能被算作Variable header（可變頭部）中。
2、對於Remaining Length解析成十進位制的演算法如下：

multiplier = 1 ;
value = 0 ;
do 
{
  digit = 'next digit from stream' ;
  value += (digit AND 127) * multiplier;
  multiplier *= 128;
 }
while ((digit AND 128) != 0)

這裡的”AND”表示：和操作雲算符（& inC）。
演算法結束時，value就是Remaining Length，這個值是十進位制的。一般最後一個位元組小於127（01111111），和0x80（10000000）進行&操作，最終結果都為0，因此計算會終止。

Variable header

固定頭部僅定義了訊息型別和一些標誌位，一些訊息的元資料，需要放入可變頭部中。
需要再次強調的是：
Variable header（可變頭部）位元組長度 + Playload（負荷）位元組長度 = Remaining Length（剩餘長度）
這個是需要牢記的。可變頭部，包含了協議名稱，版本號，連線標誌，使用者授權，心跳時間等內容，這部分和後面要講到的CONNECT訊息型別，有重複，暫時略過。

Payload

訊息體主要是為配合固定/可變頭部命令而存在，（比如CONNECT可變頭部User name標記若為1則需要在payload(訊息體/負載 )中附加使用者名稱稱字串。
CONNECT/SUBSCRIBE/SUBACK/PUBLISH等訊息有訊息體。PUBLISH的訊息體以二進位制形式對待。
MQTT協議只允許在PUBLISH型別訊息體中使用自定義特性，不可以在固定/可變頭部想加入自定義私有特性，這也是為了協議免於流於形式，變得很分裂也為了兼顧現有客戶端等。比如支援壓縮等，那就可以在Playload中定義資料支援，在應用中進行讀取處理。

Message identifiers

Message identifiers（訊息識別符號/訊息ID）存在以下的MQTT訊息的可變頭部中：PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK。並且要求Fixed header （固定頭部）中的QoS level標誌值為1或2時。
Message identifiers是一個16位無符號位的short型別值（值不能為 0，0做保留作為無效的訊息ID），僅僅要求在一個特定方向（伺服器發往客戶端為一個方向，客戶端傳送到伺服器端為另一個方向）的通訊訊息中必須唯一。比如客戶端發往伺服器，有可能存在伺服器發往客戶端會同時存在重複，但不礙事。
Message identifiers佔用兩個位元組，需要指出的是先MSB然後LSB，也就是網路位元組順序（也稱大端順序）。

MQTT and UTF-8

utf - 8是一個高效的編碼優化的支援ASCII字元編碼文字通訊的Unicode字串。
在MQTT中，字串以兩個位元組為字首，表示長度，如下表所示。

字串長度是編碼字串字元的位元組數，而不是字元的數量。例如,utf - 8編碼的字串”OTWP”如下表所示，頭兩個位元組為一個完整的無符號數字，代表字串位元組長度，後面四個位元組才是字串真正的長度，共六個位元組

MQTT無論是可變頭部還是訊息體中，只要是字串部分，都是採用了修改版的UTF-8編碼。

總結

總之，掌握固定頭部的QoS level、RETAIN標記、可變頭部的Connect flags作用和意義，對徹底理解MQTT很有幫助。