MQTT(三)CONNECT Message

前言：

前一篇提到MQTT有很多種Message Type用來實現協定。

而這次會特別把CONNECT Message拿出來講，主要是因為在CONNECT Message裡面有用到了許多的flag，而這些flag又會跟MQTT的一些特性有關，因此有必要將之獨立出來說明。

Message Format

在開始談CONNECT message之前，讓我們先來看看MQTT的訊息格式。 MQTT的訊息格式如下圖所示：

其中：

• Fixed Header每個類型的訊息都會有，至少為2 byte。
• Variable Header會根據訊息類型而有所不同，某些訊息類型甚至沒有variable header。
• Payload和Variable Header一樣，也會根據訊息類型不同而有所不同，某些訊息類型沒有Payload。

CONNECT Message

接著讓我們來看看今天的主角CONNECT Message，首先先看看它的Fixed Header。

Fixed Header

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
byte 1	Message Type(1)				DUP flag	QoS level		RETAIN
	0	0	0	1	x	x	x	x
byte 2	Remaining Length

在CONNECT Message裡面，fixed header並不會用到太多欄位，因此這邊只會簡單介紹一下他們。

• Message Type：每種類型的Message都要用到，要根據想用的訊息類型填上相對應的值，值可以參考先前貼的文章MQTT(二)Message Type and Flows。這邊由於是CONNECT Message的關係，因此會填上0001。
• DUP flag：標記此訊息為重複(duplicate)的訊息，只有在PUBLISH、PUBREL、SUBSCRIBE、UNSUBSCRIBE才會用到。
• QoS level：設定此訊息的QoS level，只有在PUBLISH、PUBREL、SUBSCRIBE、UNSUBSCRIBE才會用到。
• RETAIN：設定訊息是否要保留在server上，此特性只有PUBLISH才會用到。
• Remaining Length：此欄位記錄當前的Message，它的Variable header和Payload總共的長度為何，此欄位不一定就是1 byte，它是可變得，最多到4 byte。而且它會用特殊編碼來存放值，最高可以呈現到256MB，也就是說，你的Variable header + payload最大可以達到256MB。至於它編碼的部分可以去參考MQTT V3.1 Protocol Specification, Fixed header的介紹，會寫的比較詳細，這邊就不再多描述了。

看完上述的介紹之後會發現到，CONNECT Message的Fixed Header其實沒用到什麼特別的flag，只需要定對Message Type，然後根據編碼方式寫上正確的Remaining Length即可。

接著讓我們繼續往下看，再來是第二個Herader，也就是Variable Header。

Variable Header：

下面為一個CONNECT Message其Variable Header範例：

	Description	7	6	5	4	3	2	1	0
byte1 - byte8	Protocol Name (MQIsdp)
byte9	Version (3)
Connect Flags
byte 10	User name flag (1) Password flag (1) Will RETAIN (0) Will QoS (01) Will flag (1) Clean Session (1)	1	1	0	0	1	1	1	x
byte 11	Keep Alive MSB (0)	0	0	0	0	0	0	0	0
byte 12	Keep Alive LSB (10)	0	0	0	0	1	0	1	0

主要分為三塊，分別為協定的資訊(byte1 ~ byte9)、此次連線的特性設定(byte 10)以及連線逾時時間設定。以下說明這些flag的用意：

Protocol name 和 Protocol version

協定的資訊包括協定的名稱和版本號碼，名稱為MQIsdp，版本號碼為3(0x03)。

Connect flags:

Connect flag原本有四個，分別為Clean session、Will、Will QoS和Retain flags，而MQTT3.1又新增了兩個Username和Password，底下就來一一介紹他們。

• clean session flag
  設定為0，代表是當client斷線時，server必須要把該位client訂閱哪個主題記錄下來。再該client斷線的期間，如果有QoS 1和QoS 2的訊息被發佈到該主題了，則server必須把訊息儲存下來，等到該client重新連線時能收到它沒收到的訊息。
  設定為1，代表當client斷線時，server必須要清掉該位client所有的狀態，當client重新連線時，必須要再重新訂閱它感興趣的主題。
• will flag、will QoS和will Retain flag
  這三個flag，就是在MQTT簡介裡被提到的 最後遺囑(Last Will and Testament) 機制所用的flag。這機制是這樣的，client在一開始發送CONNECT訊息給server要求建立連線時，就把要對哪個主題說什麼遺言一起傳給server，當它在不正常的情況下斷線時(比如說網路連線斷掉、裝置故障等等)，則這些訊息就會被server主動發佈到該主題上。如果是client主動發送DISCONNECT訊息給server要求斷線時，則此機制將不會有作用。
  要啟動此機制，首先就是要將Will flag設為1，這樣就代表要啟用，之後你設定遺言的QoS level為何，server會依照你設定的QoS level來幫你傳送訊息，最後設定此此則遺言是否要保留(Retain)在server上。如果有設定Will flag，則在pyaload內會需要定義Will Topic和Will Message，也就是要對哪個主題發送什麼樣的遺言。
• Username and Password flag
  最後兩個flag為Useername和Password，意思是說此連線是否會包含帳號與密碼，如果有設定，則需要在payload內把帳號和密碼一起傳給server。要注意的是Password flag有設定而Username flag沒設定，此狀況是不被允許的。

Keep Alive timer

以秒為單位，指的是當server多久沒接收到從client發送過來的訊息時，就要認為與該client的網路連線已經斷掉了。此設定可以讓server不需要等待時間較長的TCP/IP timeout來得知網路狀況。Client有責任在此定義的時間內對server發過來的訊息作回應。如果在這時間內client和server都沒有訊息互傳的話，則client必須發送一個PINGREQ訊息給server，而server則回應一個PINGRESP message。

server會給client一個寬限時間，也就是會等1.5個Keep Alive timer時間，如果此段時間內client都沒送訊息過來，則server必須將此client斷線。

而client如果在Keep Alive time期間發送出PINGREQ訊息，卻一直沒收到PINGRESP訊息，則client必須關閉TCP/IP socket連線。

Keep Alive為2 byte，設定為0代表client不會斷線，通常只會設定幾分鐘。而此設定的最大值約為18小時。

Payload：

最後為CONNECT Message的payload，payload裡面包含什麼會跟你在variable header內的設定有關係，以下就來介紹payload裡面有些什麼。

Client Identifier

client唯一的識別碼，此識別碼在處理QoS level 1和2時會用到。長度限制為1~23個字，若超過23個字則會發生 Identifier Rejected的錯誤。

Will Topic and Will Message

如果在variable內有設定Will flag的話，代表此連線將要啟用最後遺囑(Last Will and Testament)機制，則payload就必須包含遺言內容和遺言要發送到哪個主題。

Username and Password

如果在variable內有設定Username flag和Password flag的話，代表此連線需要帳號與密碼，則payload就必須包含帳號和密碼。

小結

本篇介紹了MQTT的CONNECT Message，並介紹了一些MQTT的特性，讓程式開發人員在使用MQTT的相關library開發時，會知道建立連線可以設定的參數為何，其意義又為何。了解這些特性也會對應用MQTT的的架構規劃有所幫助。

參考：

MQTT V3.1 Protocol Specification