物联网之Qos服务质量

重点：

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

Qos服务质量简介

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。

为了避免造成混淆，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？看下图：

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。

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。

另外回忆一下PUBLISH报文的内容。

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。(我给你发（PUBLISH），你给我回一个你收到了（PUBREC），我再给你发一个你确定你收到了吗（PUBREL），你再给我回一个收到了别发了求你了（PUBCOMP）)

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。

接收端收到QoS为2的消息后，会返回PUBREC报文作为应答。

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。

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。这里只列出了基本流程，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。这么做是因为本文的重点是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（想想库的作用，不是为了站在巨人的肩膀上，而是为了站在巨人的肩膀上看得更远）。

所以我们只需要牢记一点，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？下面我们来分别看下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。

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，请务必要留意。

服务质量降级

总有几个喜欢捣蛋的……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。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？

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。

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。

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。

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和接收端进行相应的设置。以下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。

验证测试

老规矩，使用MQTTfx软件验证下，思路如下：PubSubClient库目前只支持1级QoS订阅，因此将仅介绍如何使用ESP8266接收QoS=1的MQTT消息

要使用QoS=1订阅MQTT消息，需要满足以下要求：
1 接收端要有确定的clientID
2 接收端连接服务器时 cleanSession=False
3 发送端发布消息时 QoS=1或QoS=2
4 接收端订阅消息时 QoS=1

以下是ESP8266订阅QoS=1消息的示例程序。将此程序上传ESP8266开发板并且通过以下步骤测试ESP8166开发板QoS=1的订阅情况。

– 在此程序控制下，ESP8266启动后将会尝试连接MQTT服务端。
连接时cleanSession=false。
– 接下来ESP8266在订阅主题时，将QoS设置为1。
– 保持ESP8266在线，使用MQTTfx向ESP8266所订阅的主题发布QoS=1的信息。
– ESP8266将会收到信息（至此还没有体现QoS=1的优势）
– 将ESP8266断电，然后再次使用MQTTfx向ESP8266订阅主题发布QoS=1的信息。
此时由于ESP8266未通电，所以无法接收到MQTTfx发送的信息。因此MQTT服务端将会保存此信息。
– 将ESP8266再次通电，ESP8266连接到MQTT服务端后，将会马上收到了MQTTfx在ESP8266断电时所发送的信息。（这就是QoS=1的优势，即客户端断电再通电后依然可以收到QoS=1信息。）

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : subscribe_qos1
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20200813
程序目的/Purpose          : 
本程序旨在演示如何使用PubSubClient库使用ESP8266向MQTT服务器订阅信息。
订阅QoS级别为1。
 
- 在此程序控制下，ESP8266启动后将会尝试连接MQTT服务端。
  连接时cleanSession=false。
- 接下来ESP8266在订阅主题时，将QoS设置为1。
- 保持ESP8266在线，使用MQTTfx向ESP8266所订阅的主题发布QoS=1的信息。
- ESP8266将会收到信息（至此还没有体现QoS=1的优势）
- 将ESP8266断电，然后再次使用MQTTfx向ESP8266订阅主题发布QoS=1的信息。
  此时由于ESP8266未通电，所以无法接收到MQTTfx发送的信息。因此MQTT服务端
  将会保存此信息。
- 将ESP8266再次通电，ESP8266连接到MQTT服务端后，将会马上收到了MQTTfx在ESP8266断电时所发送的信息。（这就是QoS=1的优势，即客户端断电再通电后依然可以收到QoS=1信息。）
 
要使用QoS=1订阅MQTT消息，需要满足以下要求：
1 接收端要有确定的clientID 
2 接收端连接服务器时 cleanSession=False
3 发送端发布消息时 QoS=1或QoS=2
4 接收端订阅消息时 QoS=1
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
 
// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "taichi-maker";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";
// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/
 
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);
 
const int subQoS = 1;     // 客户端订阅主题时使用的QoS级别（截止2020-10-07，仅支持QoS = 1，不支持QoS = 2）
const bool cleanSession = false; // 清除会话（如QoS>0必须要设为false）
 
const char* willTopic = "willTopic"; // 遗嘱主题名称
const char* willMsg = "willMsg";     // 遗嘱主题信息
const int willQos = 0;               // 遗嘱QoS
const int willRetain = false;        // 遗嘱保留
 
void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);     // 设置板上LED引脚为输出模式
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // 启动后关闭板上LED
  Serial.begin(9600);               // 启动串口通讯
  
  //设置ESP8266工作模式为无线终端模式
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  
  // 连接WiFi
  connectWifi();
  
  // 设置MQTT服务器和端口号
  mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);
  mqttClient.setCallback(receiveCallback);
 
  // 连接MQTT服务器
  connectMQTTserver();
}
 
void loop() {
  // 如果开发板未能成功连接服务器，则尝试连接服务器
  if (!mqttClient.connected()) {
    connectMQTTserver();
  }
 
   // 处理信息以及心跳
   mqttClient.loop();
   
}
 
// 连接MQTT服务器并订阅信息
void connectMQTTserver(){
  // 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）
  String clientId = "client-" + WiFi.macAddress();
 
  /* 连接MQTT服务器
  boolean connect(const char* id, const char* user, 
                  const char* pass, const char* willTopic, 
                  uint8_t willQos, boolean willRetain, 
                  const char* willMessage, boolean cleanSession); 
  若让设备在离线时仍然能够让qos1工作，则connect时的cleanSession需要设置为false                
                  */
  if (mqttClient.connect(clientId.c_str(), NULL, NULL, willTopic, willQos, willRetain, willMsg, cleanSession)) { 
    Serial.print("MQTT Server Connected. ClientId: ");
    Serial.println(clientId);
    subscribeTopic(); // 订阅指定主题
  } else {
    Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");
    Serial.println(mqttClient.state());
    delay(5000);
  }   
}
 
// 收到信息后的回调函数
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message Received [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println("");
  Serial.print("Message Length(Bytes) ");
  Serial.println(length);
 
  if ((char)payload[0] == '1') {     // 如果收到的信息以“1”为开始
    digitalWrite(BUILTIN_LED, LOW);  // 则点亮LED。
  } else {                           
    digitalWrite(BUILTIN_LED, HIGH); // 否则熄灭LED。
  }
}
 
// 订阅指定主题
void subscribeTopic(){
  // 建立订阅主题。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。
  // 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同
  String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress();
  char subTopic[topicString.length() + 1];  
  strcpy(subTopic, topicString.c_str());
  
  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题以及订阅的主题名称
  // 请注意subscribe函数第二个参数数字为QoS级别。这里为QoS = 1
  if(mqttClient.subscribe(subTopic, subQoS)){
    Serial.print("Subscribed Topic: ");
    Serial.println(subTopic);
  } else {
    Serial.print("Subscribe Fail...");
  }  
}
 
// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){
 
  WiFi.begin(ssid, password);
 
  //等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected!");  
  Serial.println(""); 
}

断电后发送Qos1的消息，ESP8266板子通电后串口输出显示截图如下：