1. MQTT 的定位
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一个轻量级发布/订阅消息协议，专为 低带宽、低功耗、不稳定网络 设计，广泛用于物联网（IoT）。
2. MQTT 在网络协议栈中的位置
MQTT 属于 应用层协议，其依赖关系如下：
┌───────────────────────┐
│ MQTT 协议 │ ← 应用层
└───────────────────────┘
┌───────────────────────┐
│ TCP 协议 │ ← 可靠的传输层
└───────────────────────┘
┌───────────────────────┐
│ IP 协议（IPv4/6） │ ← 网络层
└───────────────────────┘
┌───────────────────────┐
│ 数据链路层（WiFi/以太网）│
└───────────────────────┘⭐ MQTT 只能跑在 TCP 上（默认 1883 端口，TLS 加密 8883）。
它不支持 UDP，因为 MQTT 依赖 TCP 的：
- 顺序保证
- 重传机制
- 可靠连接
3. MQTT 数据包结构（TCP 之上的协议结构）
MQTT 报文结构由三部分组成：
┌───────────────────────────┐
│ Fixed Header（固定报头） │ ← 强制存在
├───────────────────────────┤
│ Variable Header（可变报头）│ ← 部分报文存在
├───────────────────────────┤
│ Payload（有效负载） │ ← 部分报文存在
└───────────────────────────┘以下详细解释：
3.1 🔷 Fixed Header（固定报头）
固定报头由 2 部分组成：
① 第一个字节：报文类型 + Flag
bit 7-4 ：Message Type（报文类型）
bit 3-0 ：Flags（标志位，依报文类型而变）示例：
| 类型 | 编号 | 说明 |
|---|---|---|
| CONNECT | 1 | 客户端请求连接 |
| PUBLISH | 3 | 发布消息 |
| SUBSCRIBE | 8 | 订阅消息 |
| PINGREQ | 12 | 心跳请求 |
例如一个 PUBLISH 报文首字节可能是：
0011 1100 （0x3C）② 第二部分：Remaining Length（剩余长度）
采用 可变长度编码（类似 protobuf）。
可用 1〜4 个字节表示整个剩余部分的长度。
示例：
| 字节 | 值 | 表示 |
|---|---|---|
| 0x7F | 127 | 用 1 个字节 |
| 0x80 0x01 | 128 | 用 2 个字节 |
3.2 🔷 Variable Header（可变报头）
不同类型报文结构不同，例如：
➤ CONNECT 报文的可变报头包含：
- Protocol Name（MQTT）
- Protocol Level（MQTT 3.1.1 = 4）
- Connect Flags
- Keep Alive
➤ PUBLISH 报文的可变报头包含：
- Topic Name
- Packet Identifier（QOS > 0 时才有）
3.3 🔷 Payload（有效负载）
不同报文的 Payload 内容不同：
CONNECT 报文
- Client ID
- Username（可选）
- Password（可选）
- Will Message（遗嘱消息，可选）
PUBLISH 报文
- Message Body（具体消息内容）
SUBSCRIBE
- Topic Filters（主题过滤）
- QoS 级别
4. MQTT 的三种 QoS 级别（依赖 TCP）
MQTT 之所以在 TCP 之上，部分原因是 QoS 功能依赖可靠传输。
| QoS | 说明 | 对应报文流程 |
|---|---|---|
| 0 | At most once（最多一次） | 无确认 |
| 1 | At least once（至少一次） | PUBACK |
| 2 | Exactly once（仅一次） | PUBREC → PUBREL → PUBCOMP |
QoS2 是一个四步握手，确保消息不重复不丢失。
5. MQTT 的工作流程（TCP 上层逻辑）
1）建立 TCP 连接：
客户端 → Broker
TCP 三次握手2）发送 CONNECT 报文：
Client → Broker：CONNECT
Broker → Client：CONNACK3）SUBSCRIBE 或 PUBLISH
Client → Broker：SUBSCRIBE
Broker → Client：SUBACK
Client → Broker：PUBLISH
Broker → Client：xxx (ACK depending on QoS)4）保持心跳：
Client → Broker：PINGREQ
Broker → Client：PINGRESP5）关闭连接：
Client → Broker：DISCONNECT或者网络断开由 TCP 关闭。
6. MQTT 报文示意图（基于 TCP）
TCP Payload:
┌──────────────┬────────────────┬─────────────────────────┐
│ Fixed Header │ Variable Header│ Payload │
└──────────────┴────────────────┴─────────────────────────┘