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MQTT系列 | QoS介绍

1. MQTT中的QoS等级

MQTT设计了一套保证消息稳定传输的机制,包括消息应答、存储和重传。在这套机制下,提供了三种不同层次QoS(Quality of Service):

  • QoS0,At most once,至多一次;
  • QoS1,At least once,至少一次;
  • QoS2,Exactly once,确保只有一次。

QoS 是消息的发送方(Sender)和接受方(Receiver)之间达成的一个协议:

  • QoS0 代表,Sender 发送的一条消息,Receiver 最多能收到一次,也就是说 Sender 尽力向 Receiver 发送消息,如果发送失败,也就算了;
  • QoS1 代表,Sender 发送的一条消息,Receiver 至少能收到一次,也就是说 Sender 向 Receiver 发送消息,如果发送失败,会继续重试,直到 Receiver 收到消息为止,但是因为重传的原因,Receiver 有可能会收到重复的消息;
  • QoS2 代表,Sender 发送的一条消息,Receiver 确保能收到而且只收到一次,也就是说 Sender 尽力向 Receiver 发送消息,如果发送失败,会继续重试,直到 Receiver 收到消息为止,同时保证 Receiver 不会因为消息重传而收到重复的消息。

注意:

QoS是Sender和Receiver之间的协议,而不是Publisher和Subscriber之间的协议。换句话说,Publisher发布了一条QoS1的消息,只能保证Broker能至少收到一次这个消息;而对于Subscriber能否至少收到一次这个消息,还要取决于Subscriber在Subscibe的时候和Broker协商的QoS等级。

1.1. QoS0

QoS0等级下,Sender和Receiver之间一次消息的传递流程如下:

https://img.dawnguo.cn/NetworkingProtocol/MQTT/QoS0.jpg

Sender向Receiver发送一个包含消息数据的PUBLISH包,然后不管结果如何,丢掉已发送的PUBLISH包,一条消息的发送完成。

1.2. QoS1

QoS1要保证消息至少到达一次,所以有一个应答的机制。Sender和Receiver的一次消息的传递流程如下:

https://img.dawnguo.cn/NetworkingProtocol/MQTT/QoS1.jpg

  1. Sender向Receiver发送一个带有数据的PUBLISH包,并在本地保存这个PUBLISH包;
  2. Receiver收到PUBLISH包以后,向Sender发送一个PUBACK数据包,PUBACK数据包没有消息体(Payload),在可变头中有一个包标识(Packet Identifier),和它收到的PUBLISH包中的Packet Identifier一致。
  3. Sender收到PUBACK之后,根据PUBACK包中的Packet Identifier找到本地保存的PUBLISH包,然后丢弃掉,一次消息的发送完成。

但是消息传递流程中可能会出现问题:

  • 如果Sender在一段时间内没有收到PUBLISH包对应的PUBACK,它将该PUBLISH包的DUP标识设为1(代表是重新发送的PUBLISH包),然后重新发送该PUBLISH包。

  • Receiver可能会重复收到消息,需自行去重。

1.3. QoS2

相比QoS0和QoS1,QoS2不仅要确保Receiver能收到Sender发送的消息,还需要确保消息不重复。它的重传和应答机制就要复杂一些,同时开销也是最大的。QoS2下,一次消息的传递流程如下所示:

https://img.dawnguo.cn/NetworkingProtocol/MQTT/QoS2.png

  1. Sender发送QoS为2的PUBLISH数据包,数据包 Packet Identifier 为 P,并在本地保存该PUBLISH包;
  2. Receiver收到PUBLISH数据包后,在本地保存PUBLISH包的Packet Identifier P,并回复Sender一个PUBREC数据包,PUBREC数据包可变头中的Packet Identifier为P,没有消息体(Payload);
  3. 当Sender收到PUBREC,它就可以安全的丢弃掉初始Packet Identifier为P的PUBLISH数据包。同时保存该PUBREC数据包,并回复Receiver一个PUBREL数据包,PUBREL数据包可变头中的Packet Identifier为P,没有消息体;
  4. 当Receiver收到PUBREL数据包,它可以丢掉保存的PUBLISH包的Packet Identifier P,并回复Sender一个可变头中 Packet Identifier 为 P,没有消息体(Payload)的PUBCOMP数据包;
  5. 当Sender收到PUBCOMP包,那么认为传输已完成,则丢掉对应的PUBREC数据包;

上面是一次完整无误的传输过程,然而传输过程中可能会出现以下情况:

  • 情况1:Sender发送PUBLISH数据包给Receiver的时候,发送失败;

  • 情况2:Sender已经成功发送PUBLISH数据包给Receiver了,但是Receiver发送PUBREC数据包失败;

  • 情况3:Sender已经成功收到了PUBREC数据包,但是PUBREL数据包发送失败;

  • 情况4:Receiver已经收到了PUBREL数据包,但是发送PUBCOMP数据包时发送失败

针对上述的问题,较为详细的处理方法如下:

  • 不管是情况1还是情况2,因为Sender在一定时间内没有收到PUBREC,那么它会把PUBLISH包的DUP标识设为1,重新发送该PUBLISH数据包;

  • 不管是情况3还是情况4,因为Sender在一定时间内没有收到PUBCOMP包,那么它会重新发送PUBREL数据包;

  • 针对情况2,Receiver可能会收到多个重复的PUBLISH包,更加完善的处理如下:

    Receiver在收到PUBLISH数据包之后,马上回复一个PUBREC数据包。并会在本地保存PUBLISH包的Packet Identifier P,不管之后因为重传多少次这个Packet Identifier 为P的数据包,Receiver都认为是重复的,丢弃。同时Receiver接收到QoS为2的PUBLISH数据包后,**并不马上投递给上层,**而是在本地做持久化,将消息保存起来(这里需要是持久化而不是保存在内存)。

  • 针对情况4,更加完善的处理如下:

    Receiver收到PUBREL数据包后,正式将消息递交给上层应用层,投递之后销毁Packet Identifier P,并发送PUBCOMP数据包,销毁之前的持久化消息。之后不管接收到多少个PUBREL数据包,因为没有Packet Identifier P,直接回复PUBCOMP数据包即可。

2. QoS降级

在 MQTT 协议中,从 Broker 到 Subscriber 这段消息传递的实际 QoS 等于:Publisher 发布消息时指定的 QoS 等级和 Subscriber 在订阅时与 Broker 协商的 QoS 等级,这两个 QoS 等级中的最小那一个。

Actual Subscribe QoS = MIN(Publish QoS, Subscribe QoS)

如下面代码所示:

该subscriber订阅消息时指定的QoS为1

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import paho.mqtt.client as mqtt

'''
当代理响应订阅请求时被调用
'''
def on_subscribe(client, userdata, mid, granted_qos):
    print("granted_qos:", granted_qos)

'''
当收到关于客户订阅的主题的消息时调用
'''
def on_message(client, userdata, message):
    print("message qos", message.qos)
    print("message topic", message.topic)
    print("message payload", message.payload)

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    if rc == 0 :
        print("subscribing")
        client.subscribe("test", 1)
    else:
        print("connection failed ", rc)

mqtt_client = mqtt.Client(client_id="demo_mqtt_sub", clean_session=False)
mqtt_client.on_connect = on_connect
mqtt_client.on_subscribe = on_subscribe
mqtt_client.on_message = on_message

mqtt_client.connect("192.168.10.239", 1883)
mqtt_client.loop_forever()

运行上述代码输出的结果为:

1
2
subscribing
granted_qos: (1,)

之后运行下面的publisher代码,指定发送的PUBLISH数据包的QoS等级为0

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import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    if rc == 0:
        client.publish("test", payload="hello world", qos=0)
    else:
        print("connection failed ", rc)

mqtt_client = mqtt.Client(client_id="demo_mqtt_pub", clean_session=False)
mqtt_client.on_connect = on_connect

mqtt_client.connect("192.168.10.239", 1883)
mqtt_client.loop_forever()

结果上面运行subscriber代码的终端输出如下内容:

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message qos 0
message topic test
message payload b'hello world'

上述的结果表示,订阅者收到的消息的qos等级为0。同样如果修改subscriber中的订阅主题的QoS等级为0,publisher中发布的PUBLISH包的QoS为1,那么输出结果同上。

3. QoS和会话

如果 Client 想接收离线消息,必须使用持久化的会话(Clean Session = 0)连接到 Broker,这样 Broker 才会存储 Client 在离线期间没有确认接收的 QoS 大于 等于1 的消息。

在发送QoS为1或2的情况,Broker(此时为Sender)会将发送的PUBLISH数据包保存到本地,直到收到一系列回复的数据包,然而Client(此时为Receiver)在离线期间无法回复相应的数据包,所以会一直存储。

4. QoS等级使用建议

在以下情况下你可以选择 QoS0

  • Client 和 Broker 之间的网络连接非常稳定,例如一个通过有线网络连接到 Broker 的测试用 Client;
  • 可以接受丢失部分消息,比如你有一个传感器以非常短的间隔发布状态数据,所以丢一些也可以接受;
  • 你不需要离线消息。

在以下情况下你应该选择 QoS1:

  • 你需要接收所有的消息,而且你的应用可以接受并处理重复的消息;
  • 你无法接受 QoS2 带来的额外开销,QoS1 发送消息的速度比 QoS2 快很多。

在以下情况下你应该选择 QoS2:

  • 你的应用必须接收到所有的消息,而且你的应用在重复的消息下无法正常工作,同时你也能接受 QoS2 带来的额外开销。

本文参考

  1. MQTT协议QoS2 准确一次送达的实现