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MQTT协议笔记之消息流

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前言

前面的笔记已把所有消息类型都过了一遍,这里从消息流的角度尝试解读一下。

网络故障

在任何网络环境下,都会出现一方连接失败,比如离开公司大门那一刻没有了WIFI信号。但持续连接的另一端-服务器可能不能立即知道对方已断开。类似网络异常情况,都有可能在消息发送的过程中出现,消息发送出去,就丢失了。

MQTT协议假定客户端和服务器端稳定情况一般,彼此之通信管道不可靠,一旦客户端网络断开,情况就会很严重,很难恢复原状。

但别忘记,很多客户端会有永久性存储设备支持,比如闪存ROM、存储卡等,在通信出现异常的情况下可以用于保存关键数据或状态信息等。

总之,异常网络情况很复杂,只能小心处理之。

消息重发策略

QoS > 0情况下,PUBLISH、PUBREL、SUBSCRIBE、UNSUBSCRIBE等类型消息在发送者发送完之后,需要等待一个响应消息,若在一个指定时间段内没有收到,发送者可能需要重试。重发的消息,要求DUP标记要设置为1.

等待响应的超时应该在消息成功发送之后开始算起,并且等待超时应该是可以配置选项,以便在下一次重试的时候,适当加大。比如第一次重试超时10秒,下一次可能为20秒,再一次重试可能为60秒呢。当然,还要有一个重试次数限制的。

还有一种情况,客户端重新连接,但未在可变头部中设置clean session标记,但双方(客户端和服务器端)都应该重试先前未发送的动态消息(in-flight messages)。客户端不被强制要求发送未被确认的消息,但服务器端就得需要重发那些未被去确认的消息。

QoS level决定的消息流

QoS level为Quality of Service level的缩写,翻译成中文,服务质量等级。

MQTT 3.1协议在”4.1 Quality of Service levels and flows”章节中,仅仅讨论了客户端到服务器的发布流程,不太完整。因为决定消息到达率,能够提升发送质量的,应该是服务器发布PUBLISH消息到订阅者这一消息流方向。

QoS level 0

至多发送一次,发送即丢弃。没有确认消息,也不知道对方是否收到。

针对的消息不重要,丢失也无所谓。

网络层面,传输压力小。

QoS level 1

所有QoS level 1都要在可变头部中附加一个16位的消息ID。

SUBSCRIBE和UNSUBSCRIBE消息使用QoS level 1。

针对消息的发布,Qos level 1,意味着消息至少被传输一次。

发送者若在一段时间内接收不到PUBACK消息,发送者需要打开DUB标记为1,然后重新发送PUBLISH消息。因此会导致接收方可能会收到两次PUBLISH消息。针对客户端发布消息到服务器的消息流:

针对服务器发布到订阅者的消息流:

发布者(客户端/服务器)若因种种异常接收不到PUBACK消息,会再次重新发送PUBLISH消息,同时设置DUP标记为1。接收者以服务器为例,这可能会导致服务器收到重复消息,按照流程,broker(服务器)发布消息到订阅者(会导致订阅者接收到重复消息),然后发送一条PUBACK确认消息到发布者。

在业务层面,或许可以弥补MQTT协议的不足之处:重试的消息ID一定要一致接收方一定判断当前接收的消息ID是否已经接受过

但一样不能够完全确保,消息一定到达了。

QoS level 2

仅仅在PUBLISH类型消息中出现,要求在可变头部中要附加消息ID。

级别高,通信压力稍大些,但确保了仅仅传输接收一次。

先看协议中流程图,Client -> Server方向,会有一个总体印象:

Server -> Subscriber:

Server端采取的方案a和b,都包含了何时消息有效,何时处理消息。两个方案二选一,Server端自己决定。但无论死采取哪一种方式,都是在QoS level 2协议范畴下,不受影响。若一方没有接收到对应的确认消息,会从最近一次需要确认的消息重试,以便整个(QoS level 2)流程打通。

消息顺序

消息顺序会受许多因素的影响,但对于服务器程序,必须保证消息传递流程的每个阶段要和开始的顺序一致。例如,在QoS level 2定义的消息流中,PUBREL流必须和PUBLISH流具有相同的顺序发送:

流动消息(in-flight messages)数量允许有一个可保证的效果:

  1. 在流动消息(in-flight)窗口1中,每个传递流在下一个流开始之前完成。这保证消息以提交的顺序传递
  2. 在流动消息(in-flight)大于1的窗口,只能在QoS level内被保证消息的顺序

消息的持久化

在MQTT协议中,PUBLISH消息固定头部RETAIN标记,只有为1才要求服务器需要持久保存此消息,除非新的PUBLISH覆盖。

对于持久的、最新一条PUBLISH消息,服务器不但要发送给当前的订阅者,并且新的订阅者(new subscriber,同样需要订阅了此消息对应的Topic name)会马上得到推送。

Tip:新来乍到的订阅者,只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送,不是所有。

消息流的编码/解码

MQTT协议中,由目前定义的14种类型消息在客户端和服务器端之间数据进行交互。若以JAVA语言构建MQTT服务器,可选择Netty作为基础。

在Netty中,数据的进入和流出,代表了一次完整的交互。无论是要进入的还是要流出的数据(单独以服务器为例),都可看做字节流。若把每种类型消息抽象为一个具体对象,那么处理起来就不难了。

客户端->服务器,进入的字节流,逐个字节/单位读取,可还原成一个具体的消息对象(解码的过程)。

要发送到客户端的消息对象,转换(编码)成字节流,然后由TCP通道流转到接收者。

小结

断断续续记录了MQTT 3.1协议的若干阅读笔记,总之是把协议个人认为不够清晰,或者我不好理解的地方,着重进行了分析。也便于自己以后回过来头来翻阅,不是那么快的忘却。

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