MQTT-QoS介绍-QOS消息等级介绍-QOS消息防止重复介绍

1.1 QoS简介

使用MQTT协议的设备大部分都是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。

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：

1、QoS 0，最多交付一次 -----> 可能丢失消息

2、QoS 1，至少交付一次 -----> 可以保证收到消息，但消息可能重复

3、QoS 2，只交付一次 -----> 可以保证消息既不丢失也不重复

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。

1.2 QoS 0原理介绍

1.2.1 通讯原理说明

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。

1.2.2 QoS 0消息丢失原因

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。

1.3 QoS 1原理介绍

1.3.1 通讯原理说明

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PUBLISH

报文缓存。

1.3.2 QoS 1 消息会重复原因

对于发送方来说，没收到 PUBACK 报文分为以下两种情况：

1、PUBLISH 未到达接收方

2、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。

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。

重传 PUBLISH 报文的时候，PUBLISH 中的 DUP 标志会被设置为 1，用以表示这是一个重传的报文。

1.4 QoS 2原理介绍

1.4.1 通讯原理说明

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。

流程说明：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

涉及到的报文：

1.4.2 QoS 2消息不会重复原因

消息不丢失原因：与 QoS 1 相同

消息不会重复原因：

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。

因此，对于接收方来说，能够以 PUBREL 报文为界限，凡是在 PUBREL 报文之前到达的 PUBLISH 报文，都必然是重复的消息；而凡是在 PUBREL 报文之后到达的

PUBLISH 报文，都必然是全新的消息。一旦有了这个前提，我们就能够在协议层面完成 QoS 2 消息的去重。

1.5 不同QoS的适用场景

1.5.1 QoS 0

QoS 0 的缺点是可能会丢失消息，消息丢失的频率依赖于你所处的网络环境，并且可能使你错过断开连接期间的消息，不过优点是投递的效率较高。

所以我们通常选择使用 QoS 0 传输一些高频且不那么重要的数据，比如传感器数据，周期性更新，即使遗漏几个周期的数据也可以接受。

1.5.2 QoS 1

QoS 1 可以保证消息到达，所以适合传输一些较为重要的数据，比如下达关键指令、更新重要的有实时性要求的状态等。但因为 QoS 1 还可能会导致消息重复，所以当

我们选择使用 QoS 1 时，还需要能够处理消息的重复，或者能够允许消息的重复。

消息重复带来的危害：

如果我们不对 QoS 1 进行去重处理，我们可能会遭遇这种情况，发布方以 1、2 的顺序发布消息，但最终订阅方接收到的消息顺序可能是 1、2、1、2。如果 1 表示开

灯指令，2 表示关灯指令，我想大部分用户都不会接受自己仅仅进行了开灯然后关灯的操作，结果灯在开和关的状态来回变化。

1.5.3 QoS 2

QoS 2 既可以保证消息到达，也可以保证消息不会重复，但传输成本最高。如果我们不愿意自行实现去重方案，并且能够接受 QoS 2 带来的额外开销，那么 QoS 2 将是

一个合适的选择。通常我们会在金融、航空等行业场景下会更多地见到 QoS 2 的使用。