MQTT协议之连接和心跳介绍

序

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

在阅读本文之前推荐大家先读一下我的前两篇文章：MQTT协议及应用场景　MQTT协议之头部信息介绍

CONNECT

MQTT v3.1.1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：

mqtt connect消息结构

协议变化
MQTT 3.1.1中CONNECT消息可变头部协议名称MQIsdp被改为MQTT。
MQTT 3.1.1中所有字符串明确规定使用UTF-8编码，包括客户端标识符(Client Identifier)。
MQTT 3.1.1中针对客户端标识符（ client identifier）限制由原来的23个字节上限改为65535个字节。
MQTT 3.1.1中CONNECT消息可变头部协议版本号，由0x03变成了0x04 QoS 0类型PUBLISH消息DUP标记必须被设置为0。
MQTT 3.1.1中MQTT Over WebSocket 被定义，互联网地址编码分配机构（Internet Assigned Numbers Authority）分配标识符为mqtt。虽在MQTT 3.1规范通篇没有提到WebSocket，但因其二进制属性可以很容易的在WebSocket通道传输。

术语变化

• MQTT代理 -> MQTT服务器（MQTT Broker is now MQTT Server）
• 消息ID -> 包ID（Message ID is now Packet ID）
• 消息类型 -> 包类型（Message Type is now Packet Type）
• 主题路径 -> 主题名称（Subscribe and Unsubscribe take Topic Paths, rather than Topic names）
• 以前在固定头部，现在在包类型中( Flags in the fixed header are now specific to the packet type
• 0字节保留信息需要清除 （A zero byte retained message MUST NOT be stored as a retained message on the Server ）

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。这里先略过，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，这里先略过。

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：

mqtt connect will message

注：PUBLISH的Payload/消息体中以二进制编码保存

在某一时间点客户端异常关闭会触发服务器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：

mqtt publish will message

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。

CONNACK

收到CONNECT消息之后，服务器应该返回一个CONNACK消息作为响应：

• 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
• 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。
  　　一个完整的CONNACK消息大致如下：
  connack
  　　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：
  connack response code
  　　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CONNACK，四个字节表示。一个正常的CONNACK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。

PINGREQ

　　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。

PINGRESP

　　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。

DISCONNECT

　　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。
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。
• 值为1，服务器需要立刻清理连接状态数据。

注意：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。