MQTT协议之消息处理流程

前言

前面的笔记已把所有消息类型都过了一遍，这里从消息处理流程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

在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决定的消息处理流程

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。

| Client | Message and direction | Server |
| ------------- |:-------------:|: -----|
| QoS = 0 | PUBLISH
----------> | Action: Publish message to subscribers then Forget
**Reception: **<=1 |

• 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处理流程：

| Client | Message and direction | Server |
| ------------- |:-------------:|: ----------|
| QoS = 1
DUP = 0
Message ID = x

Action: Store message | PUBLISH
----------> | Actions:
1. Store message
2. Publish message to subscribers
3. Delete message
**Reception: **>=1 |
| Action: Discard message| PUBACK
<---------- | Message ID = x |
针对服务器发布到订阅者的消息处理流程：

| Server | Message and direction | Subscriber |
| ------------- |:-------------:|: ----------|
| QoS = 1
DUP = 0
Message ID = x
| PUBLISH
----------> | Actions:
1. Store message
2. Make message available
**Reception: **>=1 |
| | PUBACK
<---------- | Message ID = x |

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：

| Client | Message and direction | Server |
| ------------- |:-------------:|: ----------|
| QoS = 2
DUP = 0
Message ID = x

Action: Store message | PUBLISH
----------> | Actions(a):
Store message
or
Actions(b):
1. Store message
2. Publish message to subscribers |
| Message ID = x| PUBREL
----------> | Actions(a):
1. Publish message to subscribers
2. Delete message
or
Actions(b):
Delete message ID |
| | PUBREC
<---------- | Message ID = x |
| Action: Discard message| PUBCOMP
<---------- | Message ID = x |
针对服务器发布到订阅者的消息处理流程：

| Server | Message and direction | Subscriber |
| ------------- |:-------------:|: ----------|
| QoS = 2
DUP = 0
Message ID = x

Action: Store message | PUBLISH
----------> | Actions:
Store message |
| | PUBREL
----------> | Message ID = x|
| Message ID = x| PUBREC
<---------- | Actions:
Make message available |
| | PUBCOMP
<---------- | Message ID = x |
　　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：

| Client | Message and direction | Server |
| ------------- |:-------------:|: ----------|
||PUBLISH 1
---------->
PUBLISH 2
---------->
PUBLISH 3
---------->||
||PUBREC 1
<----------
PUBREC 2
<----------||
||PUBREL 1
---------->||
||PUBREC 3
<----------||
||PUBREL 2
---------->||
||PUBCOMP 1
<----------||
||PUBREL 3
---------->||
||PUBCOMP 2
<----------
PUBCOMP 3
<----------||

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

• 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
• 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。