MQTT QoS 0, 1, 2 介绍

什么是 QoS

很多时候，使用 MQTT 协议的设备都运行在网络受限的环境下，而只依靠底层的 TCP 传输协议，并不能完全保证消息的可靠到达。因此，MQTT 提供了 QoS 机制，其核心是设计了多种消息交互机制来提供不同的服务质量，来满足用户在各种场景下对消息可靠性的要求。

MQTT 定义了三个 QoS 等级，分别为：

QoS 0，最多交付一次。
QoS 1，至少交付一次。
QoS 2，只交付一次。

其中，使用 QoS 0 可能丢失消息，使用 QoS 1 可以保证收到消息，但消息可能重复，使用 QoS 2 可以保证消息既不丢失也不重复。QoS 等级从低到高，不仅意味着消息可靠性的提升，也意味着传输复杂程度的提升。

在一个完整的从发布者到订阅者的消息投递流程中，QoS 等级是由发布者在 PUBLISH 报文中指定的，大部分情况下 Broker 向订阅者转发消息时都会维持原始的 QoS 不变。不过也有一些例外的情况，根据订阅者的订阅要求，消息的 QoS 等级可能会在转发的时候发生降级。

例如，订阅者在订阅时要求 Broker 可以向其转发的消息的最大 QoS 等级为 QoS 1，那么后续所有 QoS 2 消息都会降级至 QoS 1 转发给此订阅者，而所有 QoS 0 和 QoS 1 消息则会保持原始的 QoS 等级转发。

接下来，让我们来看看 MQTT 中每个 QoS 等级的具体原理。

QoS 0 - 最多交付一次

QoS 0 是最低的 QoS 等级。QoS 0 消息即发即弃，不需要等待确认，不需要存储和重传，因此对于接收方来说，永远都不需要担心收到重复的消息。

为什么 QoS 0 消息会丢失？

当我们使用 QoS 0 传递消息时，消息的可靠性完全依赖于底层的 TCP 协议。

而 TCP 只能保证在连接稳定不关闭的情况下消息的可靠到达，一旦出现连接关闭、重置，仍有可能丢失当前处于网络链路或操作系统底层缓冲区中的消息。这也是 QoS 0 消息最主要的丢失场景。

QoS 1 - 至少交付一次

为了保证消息到达，QoS 1 加入了应答与重传机制，发送方只有在收到接收方的 PUBACK 报文以后，才能认为消息投递成功，在此之前，发送方需要存储该 PUBLISH 报文以便下次重传。

QoS 1 需要在 PUBLISH 报文中设置 Packet ID，而作为响应的 PUBACK 报文，则会使用与 PUBLISH 报文相同的 Packet ID，以便发送方收到后删除正确的 PUBLISH 报文缓存。

为什么 QoS 1 消息会重复？

对于发送方来说，没收到 PUBACK 报文分为以下两种情况：

PUBLISH 未到达接收方
PUBLISH 已经到达接收方，接收方的 PUBACK 报文还未到达发送方

在第一种情况下，发送方虽然重传了 PUBLISH 报文，但是对于接收方来说，实际上仍然仅收到了一次消息。

但是在第二种情况下，在发送方重传时，接收方已经收到过了这个 PUBLISH 报文，这就导致接收方将收到重复的消息。

虽然重传时 PUBLISH 报文中的 DUP 标志会被设置为 1，用以表示这是一个重传的报文。但是接收方并不能因此假定自己曾经接收过这个消息，仍然需要将其视作一个全新的消息。

这是因为对于接收方来说，可能存在以下两种情况：

第一种情况，发送方由于没有收到 PUBACK 报文而重传了 PUBLISH 报文。此时，接收方收到的前后两个 PUBLISH 报文使用了相同的 Packet ID，并且第二个 PUBLISH 报文的 DUP 标志为 1，此时它确实是一个重复的消息。

第二种情况，第一个 PUBLISH 报文已经完成了投递，1024 这个 Packet ID 重新变为可用状态。发送方使用这个 Packet ID 发送了一个全新的 PUBLISH 报文，但这一次报文未能到达对端，所以发送方后续重传了这个 PUBLISH 报文。这就使得虽然接收方收到的第二个 PUBLISH 报文同样是相同的 Packet ID，并且 DUP 为 1，但确实是一个全新的消息。

由于我们无法区分这两种情况，所以只能让接收方将这些 PUBLISH 报文都当作全新的消息来处理。因此当我们使用 QoS 1 时，消息的重复在协议层面上是无法避免的。

甚至在比较极端的情况下，例如 Broker 从发布方收到了重复的 PUBLISH 报文，而在将这些报文转发给订阅方的过程中，再次发生重传，这将导致订阅方最终收到更多的重复消息。

在下图表示的例子中，虽然发布者的本意只是发布一条消息，但对接收方来说，最终却收到了三条相同的消息：

以上，就是 QoS 1 保证消息到达带来的副作用。

QoS 2 - 只交付一次

QoS 2 解决了 QoS 0、1 消息可能丢失或者重复的问题，但相应地，它也带来了最复杂的交互流程和最高的开销。每一次的 QoS 2 消息投递，都要求发送方与接收方进行至少两次请求/响应流程。

首先，发送方存储并发送 QoS 为 2 的 PUBLISH 报文以启动一次 QoS 2 消息的传输，然后等待接收方回复 PUBREC 报文。这一部分与 QoS 1 基本一致，只是响应报文从 PUBACK 变成了 PUBREC。
当发送方收到 PUBREC 报文，即可确认对端已经收到了 PUBLISH 报文，发送方将不再需要重传这个报文，并且也不能再重传这个报文。所以此时发送方可以删除本地存储的 PUBLISH 报文，然后发送一个 PUBREL 报文，通知对端自己准备将本次使用的 Packet ID 标记为可用了。与 PUBLISH 报文一样，我们需要确保 PUBREL 报文到达对端，所以也需要一个响应报文，并且这个 PUBREL 报文需要被存储下来以便后续重传。
当接收方收到 PUBREL 报文，也可以确认在这一次的传输流程中不会再有重传的 PUBLISH 报文到达，因此回复 PUBCOMP 报文表示自己也准备好将当前的 Packet ID 用于新的消息了。
当发送方收到 PUBCOMP 报文，这一次的 QoS 2 消息传输就算正式完成了。在这之后，发送方可以再次使用当前的 Packet ID 发送新的消息，而接收方再次收到使用这个 Packet ID 的 PUBLISH 报文时，也会将它视为一个全新的消息。

为什么 QoS 2 消息不会重复？

QoS 2 消息保证不会丢失的逻辑与 QoS 1 相同，所以这里我们就不再重复了。

与 QoS 1 相比，QoS 2 新增了 PUBREL 报文和 PUBCOMP 报文的流程，也正是这个新增的流程带来了消息不会重复的保证。

在我们更进一步之前，我们先快速回顾一下 QoS 1 消息无法避免重复的原因。

当我们使用 QoS 1 消息时，对接收方来说，回复完 PUBACK 这个响应报文以后 Packet ID 就重新可用了，也不管响应是否确实已经到达了发送方。所以就无法得知之后到达的，携带了相同 Packet ID 的 PUBLISH 报文，到底是发送方因为没有收到响应而重传的，还是发送方因为收到了响应所以重新使用了这个 Packet ID 发送了一个全新的消息。

所以，消息去重的关键就在于，通信双方如何正确地同步释放 Packet ID，换句话说，不管发送方是重传消息还是发布新消息，一定是和对端达成共识了的。

而 QoS 2 中增加的 PUBREL 流程，正是提供了帮助通信双方协商 Packet ID 何时可以重用的能力。

QoS 2 规定，发送方只有在收到 PUBREC 报文之前可以重传 PUBLISH 报文。一旦收到 PUBREC 报文并发出 PUBREL 报文，发送方就进入了 Packet ID 释放流程，不可以再使用当前 Packet ID 重传 PUBLISH 报文。同时，在收到对端回复的 PUBCOMP 报文确认双方都完成 Packet ID 释放之前，也不可以使用当前 Packet ID 发送新的消息。