MQTT协议基本格式介绍

ID:81365 · 发表于 2026-7-26 06:57

一、MQTT 协议基本格式介绍
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种发布 / 订阅（publish/subscribe）模式的轻量级通讯协议，该协议构建于 TCP/IP 协议之上，由 IBM 在 1999 年发布。MQTT 最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
MQTT 是基于 TCP 的应用层协议，与 http、ftp 协议是处于同一层。几乎所有使用 ESP32 接入 IOT 物联网的项目中，都用的是 MQTT 协议，因此我们有必要学习 MQTT 协议基本内容。
1. MQTT 基本报文格式
MQTT 协议报文整体框架分为三部分：
表格
固定报头（fixed header）可变报头（variable header）荷载（payload）
所有报文都包含部分报文包含部分报文包含
1）固定包头（Fixed Header）
固定包头由如下构成：
第一字节 4~7 位用于表示报文类型，0~3 位用于每种报文的特殊标志位。
第二字节起为剩余长度：表示当前报文剩余部分（可变报头 + 荷载）占用的字节数。剩余长度采用可变长度编码方式，最多占用 4 字节。
MQTT 报文类型（第一字节高 4 位）
CONNECT：客户端请求连接服务端
CONNACK：连接确认
PUBLISH：发布消息
PUBACK：发布确认（QoS1）
PUBREC：收到发布（QoS2 第一步）
PUBREL：释放消息（QoS2 第二步）
PUBCOMP：发布完成（QoS2 第三步）
SUBSCRIBE：客户端订阅主题
SUBACK：订阅确认
UNSUBSCRIBE：取消订阅
UNSUBACK：取消订阅确认
PINGREQ：心跳请求
PINGRESP：心跳响应
DISCONNECT：断开连接
AUTH：认证扩展（MQTT5 新增）
低 4 位标志位：不同报文类型有专属标识，例如 PUBLISH 报文包含 DUP 重发标志、QoS 等级、RETAIN 保留标志。
2）可变报头（Variable Header）
不是所有报文都带有可变报头，根据报文类型决定内容。
常见内容：
报文标识符（Packet Identifier）：SUBSCRIBE、PUBLISH (QoS>0) 等报文使用，16 位，用于匹配请求与应答；
主题名（Topic Name）：PUBLISH 报文中携带；
协议名、协议版本、连接标志（CONNECT 报文）等。
3）荷载 Payload（有效载荷）
报文实际携带的数据内容，同样仅部分报文存在：
CONNECT：荷载包含客户端标识符、遗嘱消息、用户名、密码；
PUBLISH：荷载就是用户要传输的业务消息；
SUBSCRIBE：荷载包含订阅主题列表 + QoS 等级；
无荷载的报文：PINGREQ、PINGRESP、DISCONNECT 等。
2 MQTT 核心工作模式：发布 / 订阅模型
MQTT 架构包含三类角色：
Broker（服务端 / 代理服务器）：接收客户端连接，转发消息；
发布者 Publisher：向某个主题（Topic）发送消息；
订阅者 Subscriber：订阅感兴趣的主题，接收 Broker 转发的消息。
发布者和订阅者互不直接通信，通过 Broker 中转，实现解耦。
3 关键概念
3.1 主题 Topic
使用字符串分层，例如 device/esp32/temp，支持通配符 +（单层匹配）、#（多层匹配）。
3.2 QoS 消息服务质量（3 个等级）
QoS 0：最多一次，消息只发一次，不保证送达；
QoS 1：至少一次，保证消息送达，可能重复接收；
QoS 2：恰好一次，握手流程确保消息只收到一次。
3.3 保留消息 Retain
发布消息设置 Retain=1 时，Broker 保存该主题最新消息，新客户端订阅主题后立刻收到这条留存消息。
3.4 遗嘱消息 Will
客户端异常掉线时，Broker 自动向指定主题发布预设遗嘱消息，用于设备离线告警。
3.5 心跳 PING
客户端定时发送 PINGREQ，服务端回复 PINGRESP，检测 TCP 连接是否存活，防止连接被网关断开。
4 ESP32 物联网项目应用说明
ESP32 内置 WiFi，可通过 TCP 连接 MQTT 服务器（公共云服务器 / 本地 EMQX、Mosquitto）。
典型工程流程：
ESP32 连接 WiFi；
TCP 连接 MQTT Broker；
发送 CONNECT 报文完成登录；
订阅接收指令主题、定时上报传感器数据（PUBLISH）；
维持心跳，处理下行控制指令；
异常自动重连。
5 MQTT 优势总结
报文结构紧凑，头部短小，流量开销极低，适合单片机、ESP32 等资源受限嵌入式设备；
基于发布订阅，设备之间无需固定 IP 点对点通信；
支持三级 QoS，适应不同可靠性场景；
广泛支持阿里云、腾讯云、OneNET 等主流物联网平台，是嵌入式 IoT 首选协议。

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