2-1 QoS 服务质量等级

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什么是服务质量?

在之前的课程里我们提到过,一个物联网系统中有些信息非常重要,我们需要确保这类重要信息可以准确无误的发送和接收,而有些信息则相对不那么重要,这类信息如果在传输中丢失不会影响系统的运行。

MQTT服务质量(Quality of Service 缩写 QoS)正是用于告知物联网系统,哪些信息是重要信息需要准确无误的传输,而哪些信息不那么重要,即使丢失也没有问题。

MQTT协议有三种服务质量级别:

QoS = 0 – 最多发一次
QoS = 1 – 最少发一次
QoS = 2 – 保证收一次

以上三种不同的服务质量级别意味着不同的MQTT传输流程。对于较为重要的MQTT消息,我们通常会选择QoS>0的服务级别(即QoS 为1或2)。

另外这里提到的“发”与“收”有两种可能。一种是客户端发布消息时,将消息发送给服务端一种是客户端订阅了某一主题消息后,服务端将消息发送给客户端。因此发布消息和接收消息的可能是服务端也可能是客户端。

为了避免为您造成混淆,我们在本节教程后面的描述中将使用“发送端”来描述发送MQTT消息的设备,而使用“接收端”来描述接收MQTT消息的设备。

接下来我们仔细看一下这三种服务质量级别的具体含义。


QoS = 0 – 最多发一次

0是服务质量QoS的最低级别。当QoS为0级时,MQTT协议并不保证所有信息都能得以传输。也就是说,QoS=0的情况下,MQTT服务端和客户端不会对消息传输是否成功进行确认和检查。消息能否成功传输全看网络环境是否稳定。

也就是说,在QoS为0时。发送端一旦发送完消息后,就完成任务了。发送端不会检查发出的消息能否被正确接收到。

在网络环境稳定的情况下,信息传输一般是不会出现问题的。但是在环境不稳定的情况下,可能会在传输过程中出现MQTT消息丢失的情况。

QoS = 1 – 最少发一次

当QoS级别为1时,发送端在消息发送完成后,会检查接收端是否已经成功接收到了消息。但是发送端是如何实现这一检查的呢?请看下图:

PUBLISH-PUBACK基本流程

发送端将消息发送给接收端后,会等待接收端的确认。接收端成功接收消息后,会发送一条确认报文PUBACK给发送端。如果发送端收到了这条PUBACK确认报文,那么它就知道消息已经成功接收。

PUBACK
PUBACK 报文

假如过了一段时间后,发送端没有收到PUBACK报文,那么发送端会再次发送消息,然后再次等待接收端的PUBACK确认报文。因此,当QoS=1时,发送端在没有收到接收端的PUBACK确认报文以前,会重复发送同一条消息。

所以QoS = 1时,每一条消息都至少传输一次。

另外请您回忆一下PUBLISH报文的内容。

MQTT PUBLISH 报文 dupFlag 设置为 true
MQTT PUBLISH 报文 dupFlag 设置为 true

当发送端重复发送一条消息时,PUBLISH报文中的dupFlag会被设置为True(如上图黑色横线所标注的部分)。这是为了告诉接收端,此消息为重复发送的消息。

QoS = 2 – 保证收一次

MQTT服务质量最高级是2级,即QoS = 2。当MQTT服务质量为2级时,MQTT协议可以确保接收端只接收一次消息。

如下图所示,QoS=2的收发相对更加复杂。发送端需要接收端进行两次消息确认。因此,2级MQTT服务质量是最安全的服务级别,也是最慢的服务级别。

下面我们来分步看一下Q0S=2时的消息发送和接收基本流程。

MQTT QoS2 PUBLISH
MQTT QoS2 PUBLISH
MQTT QoS2 PUBREC
MQTT QoS2 PUBREC

接收端收到QoS为2的消息后,会返回PUBREC报文作为应答。

MQTT QoS2 PUBREL
MQTT QoS2 PUBREL

发送端收到PUBREC报文后,会把此报文进行存储,并且返回PUBREL报文作为应答。

MQTT QoS2 PUBCOMP
MQTT QoS2 PUBCOMP

当接收端收到PUBREL报文后,会应答发送端一条PUBCOMP报文。至此,一次QoS2的MQTT消息传输就结束了。

以上是QoS=2时的MQTT通讯基本过程。这里我们只给您列出了基本流程,而没有过多的讲解MQTT协议是如何控制接收端只接收一次消息。这么做是因为本教程的重点是MQTT应用。关于QoS=2的MQTT服务端内部控制机制,我们在实际开发MQTT物联网的过程中是不会涉及到的。

所以您只需要牢记一点,那就是QoS=2可以保证接收端只收一次消息。


设置QoS

了解了QoS的含义后,我们该如何在MQTT通讯中设置QoS呢?下面我们来分别讲解客户端在发布消息和订阅消息时如何设置QoS。

发布消息

如下图所示,客户端发布信息时,PUBLISH数据包中专有一个信息为qos。该信息正是用于设置客户端发布MQTT消息的QoS等级。

MQTT Publish QoS
MQTT Publish QoS

订阅消息

同样的,在客户端订阅MQTT主题时,SUBSCRIBE数据包中也同样有一个信息用于设置订阅主题的QoS级别。客户端正是通过该主题来设置订阅主题的QoS级别的。

换句话说,无论是发布(PUBLISH)还是订阅(SUBSCRIBE),都可以使用数据包中的qos消息设置服务质量级别。

接收端连接服务端

另外,要想实现QoS>0的MQTT通讯,客户端在连接服务端时必须要将cleanSession设置为false。如果这一步没有实现,那么客户端是无法实现QoS>0的MQTT通讯。这一点非常关键,请您务必要留意。

MQTT-QoS-cleanSession-false
MQTT-QoS-cleanSession-false

服务质量降级

讲到这里,不知道有没有朋友会感到好奇。假如客户端在发布和订阅信息时使用不同级别的QoS,将会发生什么情况呢。如下图所示,假如客户端A发布到主题1的消息是采用QoS = 2,然而客户端B订阅主题1采用QoS = 1。那么服务端该如何来应对这一情况呢?

MQTT-QoS-设置-1
MQTT-QoS-设置-1

在这种情况下,服务端会使用较低级别来提供服务。如下图所示,虽然A发送到主题1的消息采用QoS为2,但是服务端发送主题1的消息给B时,采用的QoS为1。这是因为B在订阅主题1时采用的QoS为1。

MQTT-QoS-设置-2
MQTT-QoS-设置-2

下面我们再来看一种情况。

如下图所示,假如客户端A发布主题1消息时使用QoS为0,而客户端B订阅主题1消息时使用QoS为1。

MQTT-QoS-设置
MQTT-QoS-设置

在这种情况下,虽然客户端B订阅主题1消息时QoS为1,但是由于客户端A发送主题1消息时QoS为0,所以服务端发送消息给B的QoS为0。

MQTT-QoS-设置
MQTT-QoS-设置

通过以上两个示例我们可以看到。对于发布和订阅消息的客户端,服务端会主动采用较低级别的QoS来实现消息传输。


QoS=1通讯时的注意事项

如想在MQTT通讯中实现服务质量等级为1级(QoS=1),我们要分别对消息的发布端课接收端进行相应的设置。以下列表中的内容是具体需要采取的措施。

  • 接收端连接服务端时cleanSession设置为false
  • 接收端订阅主题时QoS=1
  • 发布端发布消息时QoS=1

QoS=2通讯时的注意事项

如想在MQTT通讯中实现服务质量等级为2级(QoS=2),我们要分别对消息的发布端和接收端进行相应的设置。以下列表中的内容是具体需要采取的措施。

  • 接收端连接服务端时cleanSession设置为false
  • 接收端订阅主题时QoS=2
  • 发布端发布消息时QoS=2

小结

  • 若想实现QoS>0,订阅端连接服务端时cleanSession需要设置为false,订阅端订阅主题时QoS>0,发布端发布消息时的QoS>0。
  • 服务端会选择发布消息和订阅消息中较低的QoS来实现消息传输,这也被称作“服务降级”。
  • QoS = 0, 占用的网络资源最低,但是接收端可能会出现无法接收消息的情况,所以适用于传输重要性较低的信息。
  • QoS = 1,  MQTT会确保接收端能够接收到消息,但是有可能出现接收端反复接收同一消息的情况。
  • QoS = 2, MQTT会确保接收端只接收到一次消息。但是QoS为2时消息传输最慢,另外消息传输需要多次确认,因此所占用的网络资源也是最多的。此类服务等级适用于重要消息传输。
  • 由于QoS1和QoS2都能确保客户端接收到消息,但是QoS1所占用的资源较QoS2占用资源更小。因此建议使用QoS1来实现网络资源较为珍贵的环境下传输重要信息。