前言：
關於MQTT的學習我是參照的MQTT V3.1版本。
這裏有MQTT V3.1的在線版本：在線版本
官方下載地址：PDF格式版本
我就是看這個官方的英文文檔學習的，其實我這博客基本上就是翻譯和總結了這個協議文檔。
Message format
每個MQTT消息頭命令消息包含一個Fixed header (固定頭部)。一些信息還需要一個Variable header(可變頭部)和Payload(有效載荷)。消息頭每個部分的格式描述在以下部分:
1. Fixed header
每個MQTT消息頭命令消息包含一個固定頭部。2個字節（16個字）。如下表顯示：
Byte 1
包含消息類型和標誌(DUP、QoS級別和保留)字段。
1. Mesage Type
Postion: byte 1, bits 7-4
表示爲4位無符號值，MQTT V3.1版本的協議枚舉在下表：
除去0和15位置屬於保留，總共14種事件類型。
2. DUP flag(打開標誌)
Postion: byte 1, bits 3
保證消息可靠傳輸，默認爲0，只佔用一個bit,表示第一次發送，不能用來檢測消息重複發送，在客戶端或者服務器端嘗試重發PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息，注意需要滿足以下條件：
當QoS > 0
消息需要回復確認
此時，在可變頭部需要包含消息ID。當值爲1時，表示當前消息先前已經被傳送過。
3. QoS level ( Quality of Service)
Postion: byte 1, bits 2-1
這個標誌使用兩個2進製表示PUBLISH類型的消息：
4. RETAIN(保持)
Postion: byte 1, bits 0
這個標誌位僅針對PUBLISH消息。
僅針對PUBLISH消息。不同值，不同含義：
1：表示發送的消息需要一直持久保存（不受服務器重啓影響），不但要發送給當前的訂閱者，並且以後新來的訂閱了此Topic name的訂閱者會馬上得到推送。
備註：新來乍到的訂閱者，只會取出最新的一個RETAIN flag = 1的消息推送。
0：僅僅爲當前訂閱者推送此消息。
假如服務器收到一個空消息體(zero-length payload)、RETAIN = 1、已存在Topic name的PUBLISH消息，服務器可以刪除掉對應的已被持久化的PUBLISH消息。
Byte 2
1. Remaining Length
(至少一個字節)包含剩餘的長度字段。在以下部分中會描述這部分字段。所有數據值都在高位優先順序:高位字節在前，低位字節在後。提出了一種16位字作爲最重要的字節(MSB),其次是最低有效字節(LSB)。
在當前消息中剩餘的byte(字節)數，包含可變頭部和負荷(稱之爲內容/body，更爲合適)。單個字節最大值：01111111，16進制：0x7F，10進製爲127。
單個字節爲什麼不能是11111111（0xFF）呢？
因爲MQTT協議規定，第八位（最高位）若爲1，則表示還有後續字節存在。同時MQTT協議最多允許4個字節表示剩餘長度。那麼最大長度爲：0xFF,0xFF,0xFF,0x7F，二進制表示爲:11111111,11111111,11111111,01111111，十進制：268435455
比如：十進制的321是需要用兩個字節來表示（65 + 2*128 ），轉換成十六進制是0xFF ,0x41,(網絡字節順序)。
byte=261120KB=256MB=0.25GB 四個字節之間值的範圍：
1、一個十進制編碼數轉換成Remaining Length（不確定的字節值的算法）如下：
do
{
digit = X MOD 128
X = X DIV 128
// if there are more digits to encode, set the top bit of this digit
if ( X > 0 )
digit = digit OR 0x80
endif
//'output' digit
}
while ( X> 0 )這裏的“MOD”表示：按模運算符（% in C）,
“DIV”表示：整除算法( / in C )
“OR”表示：是按位或（| in C）。
***digit是以字節爲單位的Remaining Length。***digit對val求模，最大值可能是127，一旦127 | 10000000 = 11111111 = 0xff = 255
請注意： Remaining Length（剩餘長度），只在Fixed header （固定頭部）中，無論是一個字節，還是四個字節，不能被算作Variable header（可變頭部）中。
2、對於Remaining Length解析成十進制的算法如下：
multiplier = 1 ;
value = 0 ;
do
{
digit = 'next digit from stream' ;
value += (digit AND 127) * multiplier;
multiplier *= 128;
}
while ((digit AND 128) != 0)這裏的”AND”表示：和操作雲算符（& inC）。
算法結束時，value就是Remaining Length，這個值是十進制的。一般最後一個字節小於127（01111111），和0x80（10000000）進行&操作，最終結果都爲0，因此計算會終止。
Variable header
固定頭部僅定義了消息類型和一些標誌位，一些消息的元數據，需要放入可變頭部中。
需要再次強調的是：
Variable header（可變頭部）字節長度 + Playload（負荷）字節長度 = Remaining Length（剩餘長度）
這個是需要牢記的。可變頭部，包含了協議名稱，版本號，連接標誌，用戶授權，心跳時間等內容，這部分和後面要講到的CONNECT消息類型，有重複，暫時略過。
Payload
消息體主要是爲配合固定/可變頭部命令而存在，（比如CONNECT可變頭部User name標記若爲1則需要在payload(消息體/負載 )中附加用戶名稱字符串。
CONNECT/SUBSCRIBE/SUBACK/PUBLISH等消息有消息體。PUBLISH的消息體以二進制形式對待。
MQTT協議只允許在PUBLISH類型消息體中使用自定義特性，不可以在固定/可變頭部想加入自定義私有特性，這也是爲了協議免於流於形式，變得很分裂也爲了兼顧現有客戶端等。比如支持壓縮等，那就可以在Playload中定義數據支持，在應用中進行讀取處理。
Message identifiers
Message identifiers（消息標識符/消息ID）存在以下的MQTT消息的可變頭部中：PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK。並且要求Fixed header （固定頭部）中的QoS level標誌值爲1或2時。
Message identifiers是一個16位無符號位的short類型值（值不能爲 0，0做保留作爲無效的消息ID），僅僅要求在一個特定方向（服務器發往客戶端爲一個方向，客戶端發送到服務器端爲另一個方向）的通信消息中必須唯一。比如客戶端發往服務器，有可能存在服務器發往客戶端會同時存在重複，但不礙事。
Message identifiers佔用兩個字節，需要指出的是先MSB然後LSB，也就是網絡字節順序（也稱大端順序）。
MQTT and UTF-8
utf - 8是一個高效的編碼優化的支持ASCII字符編碼文本通信的Unicode字符串。
在MQTT中，字符串以兩個字節爲前綴，表示長度，如下表所示。
字符串長度是編碼字符串字符的字節數，而不是字符的數量。例如,utf - 8編碼的字符串”OTWP”如下表所示，頭兩個字節爲一個完整的無符號數字，代表字符串字節長度，後面四個字節纔是字符串真正的長度，共六個字節
MQTT無論是可變頭部還是消息體中，只要是字符串部分，都是採用了修改版的UTF-8編碼。
總結
總之，掌握固定頭部的QoS level、RETAIN標記、可變頭部的Connect flags作用和意義，對徹底理解MQTT很有幫助。