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本文主要介紹 MQTT 協議中 QoS(服務質量) 的詳細內容。
1、概述
MQTT 協議 中規定了消息服務質量（Quality of Service），它保證了在不同的網路環境下消息傳遞的可靠性，QoS 的設計是 MQTT 協議里的重點。作為專為物聯網場景設計的協議，MQTT 的運行場景不僅僅是 PC，而是更廣泛的窄帶寬網路和低功耗設備，如果能在協議層解決傳輸質量的問題，將為物聯網應用的開發提供極大便利。
2、MQTT QoS 等級
MQTT 設計了 3 個 QoS 等級。
- QoS 0：消息最多傳遞一次，如果當時客戶端不可用，則會丟失該消息。
- QoS 1：消息傳遞至少 1 次。
- QoS 2：消息僅傳送一次。
QoS 0 是一種 "fire and forget" 的消息發送模式：Sender (可能是 Publisher 或者 Broker) 發送一條消息之後，就不再關心它有沒有發送到對方，也不設置任何重發機制。
QoS 1 包含了簡單的重發機制，Sender 發送消息之後等待接收者的 ACK，如果沒收到 ACK 則重新發送消息。這種模式能保證消息至少能到達一次，但無法保證消息重覆。
QoS 2 設計了重發和重覆消息發現機制，保證消息到達對方並且嚴格只到達一次。
3、QoS 工作原理
QoS 0 - 最多分發一次
當 QoS 為 0 時，消息的分發依賴於底層網路的能力。發佈者只會發佈一次消息，接收者不會應答消息，發佈者也不會儲存和重發消息。消息在這個等級下具有最高的傳輸效率，但可能送達一次也可能根本沒送達。
Qos 1 - 至少分發一次
當 QoS 為 1 時，可以保證消息至少送達一次。MQTT 通過簡單的 ACK 機制來保證 QoS 1。發佈者會發佈消息，並等待接收者的 PUBACK 報文的應答，如果在規定的時間內沒有收到 PUBACK 的應答，發佈者會將消息的 DUP 置為 1 並重發消息。接收者接收到 QoS 為 1 的消息時應該回應 PUBACK 報文，接收者可能會多次接受同一個消息，無論 DUP 標誌如何，接收者都會將收到的消息當作一個新的消息併發送 PUBACK 報文應答。
QoS 2 - 只分發一次
當 QoS 為 2 時，發佈者和訂閱者通過兩次會話來保證消息只被傳遞一次，這是最高等級的服務質量，消息丟失和重覆都是不可接受的。使用這個服務質量等級會有額外的開銷。
發佈者發佈 QoS 為 2 的消息之後，會將發佈的消息儲存起來並等待接收者回覆 PUBREC 的消息，發送者收到 PUBREC 消息後，它就可以安全丟棄掉之前的發佈消息，因為它已經知道接收者成功收到了消息。發佈者會保存 PUBREC 消息並應答一個 PUBREL，等待接收者回覆 PUBCOMP 消息，當發送者收到 PUBCOMP 消息之後會清空之前所保存的狀態。
當接收者接收到一條 QoS 為 2 的 PUBLISH 消息時，他會處理此消息並返回一條 PUBREC 進行應答。當接收者收到 PUBREL 消息之後，它會丟棄掉所有已保存的狀態，並回覆 PUBCOMP。
無論在傳輸過程中何時出現丟包，發送端都負責重發上一條消息。不管發送端是 Publisher 還是 Broker，都是如此。因此，接收端也需要對每一條命令消息都進行應答。
4、QoS 在發佈與訂閱中的區別
MQTT 發佈與訂閱操作中的 QoS 代表了不同的含義，發佈時的 QoS 表示消息發送到服務端時使用的 QoS，訂閱時的 QoS 表示服務端向自己轉發消息時可以使用的最大 QoS。
- 當客戶端 A 的發佈 QoS 大於客戶端 B 的訂閱 QoS 時，服務端向客戶端 B 轉發消息時使用的 QoS 為客戶端 B 的訂閱 QoS。
- 當客戶端 A 的發佈 QoS 小於客戶端 B 的訂閱 QoS 時，服務端向客戶端 B 轉發消息時使用的 QoS 為客戶端 A 的發佈 QoS。
不同情況下客戶端收到的消息 QoS 可參考下表：
| 發佈消息的 QoS | 主題訂閱的 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、如何選擇 MQTT QoS 等級
QoS 級別越高，流程越複雜，系統資源消耗越大。應用程式可以根據自己的網路場景和業務需求，選擇合適的 QoS 級別。
以下情況下可以選擇 QoS 0
- 可以接受消息偶爾丟失。
- 在同一個子網內部的服務間的消息交互，或其他客戶端與服務端網路非常穩定的場景。
以下情況下可以選擇 QoS 1
- 對系統資源消耗較為關註，希望性能最優化。
- 消息不能丟失，但能接受並處理重覆的消息。
以下情況下可以選擇 QoS 2
- 不能忍受消息丟失（消息的丟失會造成生命或財產的損失），且不希望收到重覆的消息。
- 數據完整性與及時性要求較高的銀行、消防、航空等行業。
參考：https://www.emqx.com/zh/blog/introduction-to-mqtt-qos
