MQTT 入门(3)--MQTT QoS 详解
本文主要介绍 MQTT 协议中 QoS(服务质量) 的详细内容。
1、概述
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。
2、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。
3、QoS 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。
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。
QoS 2 - 只分发一
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。
4、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 |
5、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。
参考：https://www.emqx.com/zh/blog/introduction-to-mqtt-qos
