MQTT QoS(服务质量)介绍

MQTT 协议 中规定了消息服务质量(Quality of Service),它保证了在不同的网络环境下消息传递的可靠性,QoS 的设计是 MQTT 协议里的重点。作为专为物联网场景设计的协议,MQTT 的运行场景不仅仅是 PC,而是更广泛的窄带宽网络和低功耗设备,如果能在协议层解决传输质量的问题,将为物联网应用的开发提供极大便利。

MQTT QoS 等级

MQTT 设计了 3 个 QoS 等级。

  • QoS 0:消息最多传递一次,如果当时客户端不可用,则会丢失该消息。
  • QoS 1:消息传递至少 1 次。
  • QoS 2:消息仅传送一次。

QoS 0 是一种 "fire and forget" 的消息发送模式:Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 发送一条消息之后,就不再关心它有没有发送到对方,也不设置任何重发机制。

QoS 1 包含了简单的重发机制,Sender 发送消息之后等待接收者的 ACK,如果没收到 ACK 则重新发送消息。这种模式能保证消息至少能到达一次,但无法保证消息重复。

QoS 2 设计了重发和重复消息发现机制,保证消息到达对方并且严格只到达一次。

工作原理

QoS 0 - 最多分发一次

当 QoS 为 0 时,消息的分发依赖于底层网络的能力。发布者只会发布一次消息,接收者不会应答消息,发布者也不会储存和重发消息。消息在这个等级下具有最高的传输效率,但可能送达一次也可能根本没送达。

MQTT_1.png

Qos 1 - 至少分发一次

当 QoS 为 1 时,可以保证消息至少送达一次。MQTT 通过简单的 ACK 机制来保证 QoS 1。发布者会发布消息,并等待接收者的 PUBACK 报文的应答,如果在规定的时间内没有收到 PUBACK 的应答,发布者会将消息的 DUP 置为 1 并重发消息。接收者接收到 QoS 为 1 的消息时应该回应 PUBACK 报文,接收者可能会多次接受同一个消息,无论 DUP 标志如何,接收者都会将收到的消息当作一个新的消息并发送 PUBACK 报文应答。

MQTT_2.png

QoS 2 - 只分发一次

当 QoS 为 2 时,发布者和订阅者通过两次会话来保证消息只被传递一次,这是最高等级的服务质量,消息丢失和重复都是不可接受的。使用这个服务质量等级会有额外的开销。

发布者发布 QoS 为 2 的消息之后,会将发布的消息储存起来并等待接收者回复 PUBREC 的消息,发送者收到 PUBREC 消息后,它就可以安全丢弃掉之前的发布消息,因为它已经知道接收者成功收到了消息。发布者会保存 PUBREC 消息并应答一个 PUBREL,等待接收者回复 PUBCOMP 消息,当发送者收到 PUBCOMP 消息之后会清空之前所保存的状态。

当接收者接收到一条 QoS 为 2 的 PUBLISH 消息时,他会处理此消息并返回一条 PUBREC 进行应答。当接收者收到 PUBREL 消息之后,它会丢弃掉所有已保存的状态,并回复 PUBCOMP。

无论在传输过程中何时出现丢包,发送端都负责重发上一条消息。不管发送端是 Publisher 还是 Broker,都是如此。因此,接收端也需要对每一条命令消息都进行应答。

MQTT_3.png

QoS 在发布与订阅中的区别

MQTT 发布与订阅操作中的 QoS 代表了不同的含义,发布时的 QoS 表示消息发送到服务端时使用的 QoS,订阅时的 QoS 表示服务端向自己转发消息时可以使用的最大 QoS。

  • 当客户端 A 的发布 QoS 大于客户端 B 的订阅 QoS 时,服务端向客户端 B 转发消息时使用的 QoS 为客户端 B 的订阅 QoS。
  • 当客户端 A 的发布 QoS 小于客户端 B 的订阅 QoS 时,服务端向客户端 B 转发消息时使用的 QoS 为客户端 A 的发布 QoS。

不同情况下客户端收到的消息 QoS 可参考下表:

发布消息的 QoS 主题订阅的 QoS 接收消息的 QoS
0 0 0
0 1 0
0 2 0
1 0 0
1 1 1
1 2 1
2 0 0
2 1 1
2 2 2

如何选择 MQTT QoS 等级

QoS 级别越高,流程越复杂,系统资源消耗越大。应用程序可以根据自己的网络场景和业务需求,选择合适的 QoS 级别。

以下情况下可以选择 QoS 0

  • 可以接受消息偶尔丢失。
  • 在同一个子网内部的服务间的消息交互,或其他客户端与服务端网络非常稳定的场景。

以下情况下可以选择 QoS 1

  • 对系统资源消耗较为关注,希望性能最优化。
  • 消息不能丢失,但能接受并处理重复的消息。

以下情况下可以选择 QoS 2

  • 不能忍受消息丢失(消息的丢失会造成生命或财产的损失),且不希望收到重复的消息。
  • 数据完整性与及时性要求较高的银行、消防、航空等行业。

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