MQTT协议QoS服务质量 （Quality of Service 0, 1 & 2）概念学习

什么是 QoS ？

QoS (Quality of Service) 是发送者和接收者之间，对于消息传递的可靠程度的协商。

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。

三个 QoS 级别简介

在 MQTT 协议里，定义了三个级别的 QoS，由低到高分别是:

• 最多一次 (QoS0)
• 至少一次 (QoS1)
• 有且仅有一次 (QoS2)

QoS0 是最低级别，基本上等同于 Fire and Forget 模式，发送者发送完数据之后，不关心消息是否已经投递到了接收者那边。

QoS1 是中间级别，保证消息至少送达一次。MQTT 通过简单的 ACK 机制来保证 QoS1。

QoS2 是最高级别，保证到且仅到一次。这通过更加复杂的消息流程保证。

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：

比如在同一个子网内部的服务间的消息交互往往选用 QoS0；而通过互联网的实时消息通信往往选用 QoS1；QoS2 使用的场景相对少一些，能想到的如国防武器，医疗设备等应用场景。

既然 QoS 是发送者和接收者之间的质量协定，在 MQTT 协议的 Client - Broker - Client 架构里，QoS 就需要分成两部分来讨论:

1. 从发送者到 Broker 之间消息传递的 QoS。这需要由发送者在 MQTT PUBLISH 消息里设置 QoS 级别。
2. 从 Broker 到接收者之间消息传递的 QoS。这需要接收者在订阅 Topic 时，设置 SUBSCRIBE 消息里的 QoS 级别。

什么是Quality of Service

Quality of Service等级是发送与接收端的一种关于保证交付信息的协议。一共有3 个QoS 等级：

1. 最多一次（0）
2. 最少一次（1）
3. 只一次（2）

QoS 总是会有2个不同的交付信息组成：客户端（client）推送给代理（broker），代理（broker）推送给订阅的客户端（client）。因为他们有些微妙的不同，所以我们需要分开的来讲述他们。对于客户端推送给代理的QoS 等级，取决于客户端为某特定信息设定的QoS等级。更直观一点的说就是，当客户端推送信息给代理的时候，QoS的等级是由客户端决定的。当代理传送一条信息给订阅的客户端的时候，会使用这个客户端之前设定的QoS等级。

 

为什么QoS如此重要

 

QoS 是MQTT的一个主要的功能。它使得在一个不稳定的网络环境里的信息交换更加的简单，因为协议控制了中继并保证了信息的交付，忽略了不可靠的下层的交互。并且，它授权给客户端来根据客户端的程序逻辑，网络可靠程度来决定QoS等级。

 

QoS是如何工作的？

那么QoS是如何在MQTT协议中实现的呢？让我们来一个等级一个等级的看一下。

 

QoS 0 —— 最多1次

最小的等级就是 0。并且它保证一次信息尽力交付。一个消息不会被接收端应答，也不会被发送者存储并再发送。这个也被叫做“即发即弃”。并且在TCP协议下也是会有相同的担保。

QoS 1 ——最少1次

当使用QoS 等级1 时， 它保证信息将会被至少发送一次给接受者。但是消息也可能被发送两次甚至更多。

发送者将会存储发送的信息直到发送者收到一次来自接收者的PUBACK格式的应答。

PUBLISH 与PUBACK的关联是通过比较数据包中的packet identifier完成的。如果在特定的时间内（timeout）发送端没有收到PUBACK应答，那么发送者会重新发送PUBLISH消息。如果接受者接收到QoS为1 的消息，它会立即处理这里消息，比如把这个包发送给订阅该主题的接收端，并回复PUBACK包。

 

The duplicate（DUP）flag，用来标记PUBLISH 被重新分发的情况。仅仅是为了内部使用的目的，并且当QoS 为1 是不会被broker 或者client处理。接受者都会发送PUBACK消息，而不管DUP flag。

QoS 2

最高的QoS就是2，它会确保每个消息都只被接收到的一次，他是最安全也是最慢的服务等级。

如果接收端接收到了一个QoS 的PUBLISH消息，它将相应地处理PUBLISH消息，并通过PUBREC消息向发送方确认。

直到他发出一个PUBCOMP包为止，接收端都保存这个包packet identifier。这一点很重要，因为它避免了二次处理同一个PUBLISH包。 当发送者接收到PUBREC的时候，它可以放弃最开始的publish了，因为它已经知道另一端已经接收到消息，他将保存PUBREC并且回复PUBREL。

当接收端接收到PUBREL，它就可以丢弃所有该包的存储状态并回复PUBCOMP。当发送端接收到PUBCOMP时也会做同样的处理。

 

当整个流程结束的时候，所有的参与者都确定消息被正确的发送和送达了。

 

无论什么时候，一个包丢失了，发送端有责任在特定时间后重新发送最后一次发送的消息。接收端有责任响应每一个指令消息。

 

须知：

 

QoS 向下兼容

QoS流，在发送端和接收端是两件不同的事情，当然发送端与接收端QoS的等级也可以不一样。在发送端与broker之间，发送端定义了QoS等级。当broker发送消息到接收端是，接收端决定了QoS的等级。 

Packet identifiers 是每个消息流唯一的

在一个client和broker之间，每个packet identiier都是唯一的。如果一个消息流结束了，相同的packet identifier可以在任意时间被重用。这也就是packet identifier没有必要比65535还要大的原因，因为一个client发送如此大的消息去没有结束这个消息流是不切实际的。