MQTT 5.0 报文解析 03：SUBSCRIBE 与 UNSUBSCRIBE

news2024/10/7 16:18:57

欢迎阅读 MQTT 5.0 报文系列 的第三篇文章。在上一篇中，我们介绍了 MQTT 5.0 的 PUBLISH 及其响应报文。现在，我们将介绍用于订阅和取消订阅的控制报文。

在 MQTT 中，SUBSCRIBE 报文用于发起订阅请求，SUBACK 报文用于返回订阅结果。而 UNSUBSCRIBE 和 UNSUBACK 报文则在取消订阅时使用。相比于取消订阅，订阅操作更加常用。不过在本文中，我们仍然会一并介绍订阅与取消订阅报文的结构与组成。

报文示例

首先我们借助 Wireshark 来捕获一次真实的 MQTT 订阅请求与响应，这里我们使用 MQTTX CLI 向 公共 MQTT 服务器 发起订阅请求。以下命令将创建一个主题为 demo，且最大 QoS 设置为 2 的订阅：

mqttx sub --hostname broker.emqx.io --mqtt-version 5 --topic demo --qos 2

以下是 Wireshark 捕获到的 SUBSCRIBE 和 SUBACK 报文数据：

# SUBSCRIBE
82 0a 05 be 00 00 04 64 65 6d 6f 02

# SUBACK
90 04 05 be 00 02

Linux 环境可以先使用 tcpdump 命令抓取报文，然后导入至 Wireshark 分析。

这些由十六进制字节组成的原始且晦涩的报文数据，它们分别对应着以下报文内容：

01subscribepacket.png

02subackpacket.png

也许你开始好奇它们是如何完成从简单的 MQTTX CLI 命令到复杂的报文数据的转换，或者好奇当你捕获到一个 MQTT 报文，你应该如何从中提取你想要的信息。

那么在接下来的 SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE 以及 UNSUBACK 的报文结构的介绍中，你的疑问将得到解答。

SUBSCRIBE 报文结构

固定报头

在 SUBSCRIBE 报文中，固定报头中首字节的高 4 位值必须为 8（0b1000），而低 4 位保留位必须被设置为 2（0b0010）。第一个字节之后，仍然是剩余长度（Remaining Length）字段，它是一个可变字节整数。

SUBSCRIBE 固定报头

可变报头

SUBSCRIBE 报文的可变报头按顺序包含以下字段：

SUBSCRIBE 可变报头

  • 报文标识符（Packet Identifier）：一个两个字节长度的无符号整数，用来唯一地标识订阅请求。PUBLISH、SUBSCRIBE、UNSUBSCRIBE 报文使用一组报文标识符，这表示它们不能同时使用同一个报文标识符。
  • 属性（Properties）：下表列出了 SUBSCRIBE 报文的所有可用属性。
IdentifierProperty NameType
0x0BSubscription Identifier变长字节整数
0x26User PropertyUTF-8 字符串对

有效载荷

SUBSCRIBE 报文的有效载荷包含一个或多个主题过滤器/订阅选项对。主题过滤器是一个 UTF-8 编码的字符串，用于向服务端指明客户端希望订阅的主题，订阅选项则仅占用一个字节，目前由以下四个选项组成：

  • Reserved (Bit 7, 6)：保留位，目前必须设置为 0。
  • Retain Handling (Bit 5, 4)：用于指示当订阅建立时，服务端是否需要向此订阅发送保留消息。
  • Retain As Published (Bit 3)：用于指示服务端在向此订阅转发应用消息时是否需要保持消息中的 Retain 标志。
  • No Local (Bit 2)：用于指示服务端是否可以将应用消息转发给该消息的发布者。No Local 和 Retain As Published 通常用于桥接场景。
  • Maximum QoS (Bit 1, 0)：这个选项决定了服务端向此订阅转发消息时可以使用的最大 QoS 等级。如果消息的原始 QoS 超过了这个限制，那么服务端就会对 QoS 进行降级以保证消息的传递。

SUBSCRIBE 报文的有效载荷

SUBACK 报文结构

固定报头

SUBACK 报文的首字节高 4 位的值为 9（0b1001），低 4 位都必须全部被设置为 0。

SUBACK 固定报头

可变报头

SUBACK 的可变报头按顺序包含以下字段：

SUBACK 可变报头

  • 报文标识符（Packet Identifier）：SUBACK 报文中的报文标识符必须与对应的 SUBSCRIBE 报文一致，以便另一方正确地将响应与请求匹配。
  • 属性（Properties）：下表列出了 SUBACK 报文的所有可用属性。
IdentifierProperty NameType
0x1FReason StringUTF-8 编码的字符串
0x26User PropertyUTF-8 字符串对

有效载荷

SUBACK 报文的有效载荷包含了一个 Reason Code 列表，Reason Code 指示了订阅是否成功或者失败的原因。一个 Reason Code 对应 SUBSCRIBE 报文的一个主题过滤器，所以 SUBACK 报文中 Reason Code 的顺序必须与 SUBSCRIBE 报文中主题过滤器的顺序一致。

SUBACK 有效载荷

下表列出了 SUBACK 报文可用的所有 Reason Code：

ValueReason Code NameDescription
0x00Granted QoS 0订阅被接受且最大 QoS 等级为 0。服务端授予的 QoS 等级可能低于客户端请求的 QoS 等级，这主要取决于服务端是否支持所有 QoS 或者是相应的权限设置。
0x01Granted QoS 1订阅被接受且最大 QoS 等级为 1。
0x02Granted QoS 2订阅被接受且最大 QoS 等级为 2。
0x80Unspecified error表示未指明的错误。当一方不希望向另一方透露错误的具体原因，或者协议规范中没有能够匹配当前情况的 Reason Code 时，那么它会在报文中使用这个 Reason Code。
0x83Implementation specific errorSUBSCRIBE 报文有效，但是不被当前服务端的实现所接受。
0x87Not authorized客户端无权进行此订阅。
0x8FTopic Filter invalid主题过滤器的格式正确，但是不被服务端接受。比如主题过滤器的层级超过了服务端允许的最大数量限制。
0x91Packet Identifier in use收到报文中的 Packet ID 正在被使用。
0x97Quota exceeded表示超出了配额限制。服务端可能会对订阅端的订阅配额进行限制，比如一个客户端最多建立 10 个订阅。
0x9EShared Subscriptions not supported服务端不支持共享订阅。
0xA1Subscription Identifiers not supported服务端不支持订阅标识符。
0xA2Wildcard Subscriptions not supported服务端不支持通配符订阅。

UNSUBSCRIBE 报文结构

固定报头

与 SUBSCRIBE 报文相同，唯一的区别是报文类型字段的值从 8（0b1000） 变成了 10（0b1010）。

UNSUBSCRIBE 固定报头

可变报头

与 SUBSCRIBE 报文相同。

有效载荷

UNSUBSCRIBE 报文的有效载荷包含一个或多个客户端希望取消订阅的主题过滤器，这些主题过滤器同样是 UTF-8 编码的字符串，并且多个主题过滤器紧密相连。

UNSUBSCRIBE 有效载荷

UNSUBACK 报文结构

固定报头

UNSUBACK 报文的首字节高 4 位的值为 11（0b1011），低 4 位都必须全部被设置为 0。

UNSUBACK 固定报头

可变报头

UNSUBACK 的可变报头按顺序包含报文标识符和属性字段，可用的属性与 SUBACK 报文相同。

有效载荷

UNSUBACK 报文的有效载荷同样包含了一个 Reason Code 列表，Reason Code 指示了取消订阅是否成功或者失败的原因。这些 Reason Code 按顺序对应 UNSUBSCRIBE 报文的主题过滤器。

UNSUBACK 有效载荷

下表列出了 UNSUBACK 报文可用的所有 Reason Code：

ValueReason Code NameDescription
0x00Success订阅已被删除
0x11No subscription existed服务端中不存在该订阅。
0x80Unspecified error取消订阅无法完成，服务器要么不希望透露原因，要么没有其他原因代码适用。
0x83Implementation specific errorUNSUBSCRIBE 报文有效，但是不被当前服务端的实现所接受。
0x87Not authorized客户端无权取消此订阅。
0x8FTopic Filter invalid主题过滤器的格式正确，但是不被服务端接受。比如主题过滤器的层级超过了服务端允许的最大数量限制。
0x91Packet Identifier in use收到报文中的 Packet ID 正在被使用。

总结

SUBSCRIBE 和 SUBACK 报文用于订阅，UNSUBSCRIBE 和 UNSUBACK 用于取消订阅，想要订阅或者取消订阅的主题过滤器列表，都在对应报文的有效载荷中，SUBSCRIBE 报文中的每个主题主题过滤器，都与一组订阅选项相关联。

指示请求结果的 Reason Code 位于 SUBACK 和 UNSUBACK 报文的有效载荷部分，并且它是一个列表，一一对应请求报文中的主题过滤器。

在下一篇文章中，我们将继续研究 MQTT 的心跳报文。

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