数据包构建 - MQTT 教程

固定报头（Fixed Header）

每个 MQTT 数据包都由固定报头开始，结构如下：

Bit 7-4 Packet Type

Bit 3-0 Flags

Byte 2+ Remaining Length

报文类型（Packet Type）

类型	值	说明
CONNECT	1	客户端请求连接
CONNACK	2	连接确认
PUBLISH	3	发布消息
PUBACK	4	QoS 1 确认
PUBREC	5	QoS 2 收到（第一步）
PUBREL	6	QoS 2 释放（第二步）
PUBCOMP	7	QoS 2 完成（第三步）
SUBSCRIBE	8	订阅请求
SUBACK	9	订阅确认
UNSUBSCRIBE	10	取消订阅
UNSUBACK	11	取消订阅确认
PINGREQ	12	心跳请求
PINGRESP	13	心跳响应
DISCONNECT	14	断开连接

剩余长度编码（Variable Byte Integer）

MQTT 使用可变长度编码表示剩余长度，最多 4 字节，可表示 0 到 268,435,455 的长度。

值范围字节数示例

0 - 127 1 0x00 - 0x7F

128 - 16,383 2 0x80 0x01 = 128

16,384 - 2,097,151 3 0x80 0x80 0x01 = 16384

2,097,152 - 268,435,455 4 0x80 0x80 0x80 0x01

📐 编码规则

每个字节的最高位（bit 7）是延续位：1 表示还有后续字节，0 表示最后一个字节
低 7 位（bit 0-6）存储数据
采用小端序（Little Endian）

PUBLISH 报文详解

PUBLISH 报文用于向主题发送消息，结构最为复杂：

                    Byte 1
                    Fixed Header
                    Type=3, DUP, QoS, RETAIN
                

                    Byte 2+
                    Remaining Length
                

Variable Topic Length 2 bytes

Variable Topic Name

QoS > 0 Packet ID 2 bytes

Variable Payload

Byte 1 标志位详解

76543210

0 0 1 1 DUP QoS QoS RETAIN

Packet Type = 3 Flags

构建示例：发送温度数据

假设我们要发布一条温度消息：

Topic: sensors/temperature
Payload: {"temp": 25.5, "unit": "C"}
QoS: 1
Packet ID: 100
Retain: false

# 字节流构建过程

# Byte 1: Packet Type (3) + Flags (QoS=1, DUP=0, Retain=0)
# 0011 0010 = 0x32
byte1 = 0x32

# Topic: "sensors/temperature" (20 字节)
topic = b'sensors/temperature'
topic_length = len(topic)  # 20 = 0x0014

# Packet Identifier (QoS 1 需要)
packet_id = 100  # 0x0064

# Payload
payload = b'{"temp": 25.5, "unit": "C"}'

# 计算 Remaining Length
# 2 (topic length) + 20 (topic) + 2 (packet id) + 26 (payload) = 50
remaining_length = 50  # 0x32

# 完整报文
packet = bytes([0x32, 0x32])  # Fixed header
packet += (topic_length).to_bytes(2, 'big')  # Topic length
packet += topic  # Topic
packet += (packet_id).to_bytes(2, 'big')  # Packet ID
packet += payload  # Payload

# 十六进制输出
print(packet.hex())
# 输出：3232001473656e736f72732f74656d706572617475726500647b2274656d70223a2032352e352c2022756e6974223a202243227d

CONNECT 报文结构

                    Byte 2+
                    Remaining Length
                

Variable Protocol Name Length + "MQTT"

1 Byte Protocol Level 0x04=3.1.1

1 Byte Connect Flags U P W Q W C

2 Bytes Keep Alive

Variable Payload ClientID, Will, User, Pass

Connect Flags 字节