MQTT 协议有哪些控制报文类型？各自的作用是什么？

MQTT 协议定义了多种控制报文类型，每种报文都有特定的功能和格式。以下是 MQTT 协议的主要控制报文及其作用。

MQTT 控制报文类型

1. CONNECT - 连接请求

• 方向：客户端 → Broker
• 作用：客户端向 Broker 请求建立连接
• 关键参数：
  • Client ID：客户端唯一标识符
  • Clean Session：是否清除之前的会话状态
  • Keep Alive：心跳间隔（秒）
  • Username/Password：认证信息
  • Will Message：遗嘱消息（客户端异常断开时发送）
• 响应：CONNACK

2. CONNACK - 连接确认

• 方向：Broker → 客户端
• 作用：确认连接是否成功建立
• 关键参数：
  • Session Present：是否包含之前的会话状态
  • Return Code：连接结果（0 表示成功）
• 返回码示例：
  • 0：连接成功
  • 1：协议版本不支持
  • 2：客户端 ID 不合法
  • 3：服务器不可用
  • 4：用户名或密码错误
  • 5：未授权

3. PUBLISH - 发布消息

• 方向：双向（客户端 ↔ Broker）
• 作用：发布消息到指定主题
• 关键参数：
  • Topic Name：主题名称
  • Packet Identifier：数据包标识符（QoS 1/2）
  • QoS：服务质量级别（0/1/2）
  • DUP：是否重复发送
  • Retain：是否保留消息
  • Payload：消息内容
• 响应：
  • QoS 0：无响应
  • QoS 1：PUBACK
  • QoS 2：PUBREC → PUBREL → PUBCOMP

4. PUBACK - 发布确认（QoS 1）

• 方向：接收方 → 发布方
• 作用：确认收到 QoS 1 消息
• 关键参数：
  • Packet Identifier：对应的消息 ID

5. PUBREC - 发布收到（QoS 2）

• 方向：接收方 → 发布方
• 作用：确认收到 QoS 2 消息的第一阶段
• 关键参数：
  • Packet Identifier：对应的消息 ID
• 响应：PUBREL

6. PUBREL - 发布释放（QoS 2）

• 方向：发布方 → 接收方
• 作用：释放 QoS 2 消息的第二阶段
• 关键参数：
  • Packet Identifier：对应的消息 ID
• 响应：PUBCOMP

7. PUBCOMP - 发布完成（QoS 2）

• 方向：接收方 → 发布方
• 作用：完成 QoS 2 消息的第三阶段
• 关键参数：
  • Packet Identifier：对应的消息 ID

8. SUBSCRIBE - 订阅主题

• 方向：客户端 → Broker
• 作用：订阅一个或多个主题
• 关键参数：
  • Packet Identifier：数据包标识符
  • Topic Filter：主题过滤器（支持通配符）
  • QoS：订阅的 QoS 级别
• 响应：SUBACK

9. SUBACK - 订阅确认

• 方向：Broker → 客户端
• 作用：确认订阅结果
• 关键参数：
  • Packet Identifier：对应的 SUBSCRIBE 消息 ID
  • Return Codes：每个主题的订阅结果
• 返回码示例：
  • 0-2：成功（QoS 级别）
  • 128：订阅失败

10. UNSUBSCRIBE - 取消订阅

• 方向：客户端 → Broker
• 作用：取消订阅一个或多个主题
• 关键参数：
  • Packet Identifier：数据包标识符
  • Topic Filter：要取消的主题过滤器
• 响应：UNSUBACK

11. UNSUBACK - 取消订阅确认

• 方向：Broker → 客户端
• 作用：确认取消订阅
• 关键参数：
  • Packet Identifier：对应的 UNSUBSCRIBE 消息 ID

12. PINGREQ - 心跳请求

• 方向：客户端 → Broker
• 作用：检测连接是否活跃
• 触发条件：Keep Alive 时间的一半
• 响应：PINGRESP

13. PINGRESP - 心跳响应

• 方向：Broker → 客户端
• 作用：响应心跳请求，确认连接正常
• 响应时间：通常在 1 秒内

14. DISCONNECT - 断开连接

• 方向：客户端 → Broker
• 作用：主动断开连接
• 特点：
  • 正常断开，不发送遗嘱消息
  • Broker 清除客户端状态（Clean Session = true）

控制报文格式

固定头部（Fixed Header）

所有 MQTT 控制报文都包含固定头部：

shell
+-----------------+------------------+
|   Control Type  |   Flags          |
|   (4 bits)      |   (4 bits)       |
+-----------------+------------------+
|   Remaining Length (Variable)       |
+-------------------------------------+

• Control Type：控制报文类型（1-14）
• Flags：标志位，根据报文类型有不同的含义
• Remaining Length：剩余长度（可变长度编码）

可变头部（Variable Header）

某些报文包含可变头部，包含报文特定的信息：

• Packet Identifier
• Topic Name
• Properties（MQTT 5.0）

有效载荷（Payload）

某些报文包含有效载荷：

• PUBLISH：消息内容
• CONNECT：客户端信息
• SUBSCRIBE：订阅列表

QoS 级别与报文流程

QoS 0 流程

shell
Client ──PUBLISH──> Broker

QoS 1 流程

shell
Client ──PUBLISH──> Broker
Client <─PUBACK─── Broker

QoS 2 流程

shell
Client ──PUBLISH──> Broker
Client <─PUBREC─── Broker
Client ──PUBREL──> Broker
Client <─PUBCOMP── Broker

报文类型总结

报文类型	方向	QoS	说明
CONNECT	客户端 → Broker	-	建立连接
CONNACK	Broker → 客户端	-	连接确认
PUBLISH	双向	0/1/2	发布消息
PUBACK	双向	1	发布确认
PUBREC	双向	2	发布收到
PUBREL	双向	2	发布释放
PUBCOMP	双向	2	发布完成
SUBSCRIBE	客户端 → Broker	-	订阅主题
SUBACK	Broker → 客户端	-	订阅确认
UNSUBSCRIBE	客户端 → Broker	-	取消订阅
UNSUBACK	Broker → 客户端	-	取消确认
PINGREQ	客户端 → Broker	-	心跳请求
PINGRESP	Broker → 客户端	-	心跳响应
DISCONNECT	客户端 → Broker	-	断开连接

理解 MQTT 控制报文类型和流程对于实现 MQTT 客户端和服务器至关重要。