MQTTのQoSとは？QoSとは何かやレベル別ユースケースを紹介

ネットワークに接続されたモノ同士で通信するM2M（Machine-to-Machine）やモノがインターネットと繋がって通信するIoT（Internet of Things）が注目される近年、容量を抑えながら多数のデータをやり取りする通信でプロトコル「MTTQ」が活用され始めています。

本記事ではMTTQにおける3段階のQoSとユースケースを紹介します。

MQTTとは

MQTT（Message Queue Telemetry Transport）は、1999年にIBM社とEurotech社のメンバーにより考案されたプロトコルです。2014年にはOASISによって正式な標準規格とされました。

HTTPと比べて軽量で、ヘッダサイズは最小2バイトと小さく、バッテリーの消費を抑えたい製品や帯域幅が限られているネットワーク環境にも利用できます。

また、非同期に双方向やグループでの通信ができるため、パフォーマンスやスケーラビリティーにも優れています。

参考：MQTT.org「MQTT」

Publish/Subscribe型モデル

MQTTはPublish/Subscribe型のメッセージングモデルを採用しています。

Publish/Subscribモデルでは、メッセージの送信側をPublisher（パブリッシャー）、メッセージの受信側をSubscriber（サブスクライバー）と呼び、brokerと呼ばれるMQTTサーバーが間に入ってメッセージを扱います。PublisherとSubscriberは直接繋がらないのが特長です。

MQTTについては「MQTTとは？通信モデル・HTTPとの比較・利用メリット・実用例を紹介」の記事でも解説しています。こちらもぜひご覧ください。

MQTTのQoSについて

QoSとはQuality of Serviceのことで、直訳すると「サービス品質」です。MQTTでは、アプリケーションメッセージの到達保証レベルを表します。

MQTTのメッセージ送受信には３段階のレベルとして「At most once」、「At least once」、「Exactly once」があります。

QoSレベル０：At most once

メッセージを１回受信するか、まったく受信しないかのどちらかになります。受信側はメッセージを受け取っても応答はせず、送信側はメッセージの保存や再送を行ないません。

最も速い転送モードですが、クライアントが切断されたりサーバーで障害が発生しているケースではメッセージが失われる可能性があります。

QoSレベル１：At least once

メッセージを最低１回は受信する転送モードです。

送信側が受信側からの応答を指定時間内に確認できないときは、受信側に同じメッセージを再送信します。その場合、受信側での処理が複数発生し、複数のメッセージを受信する可能性があります。

メッセージは処理されるまで送信側と受信側でローカルに保管されます。受信側で処理が終わると受信側で削除され、送信側に応答を送信します。そして、送信側が受信側からの応答を受信した後、そのメッセージは送信側からも削除されます。

QoSレベル２：Exactly once

メッセージが損失及び重複なく送信されます。少なくとも2回のセッションが発生するため、QoS1と比較してオーバヘッドが増加します。

1回目のセッション
送信側はメッセージを保存し、PUBLISHパケットでメッセージを送信します。
受信側は、PUBLISHパケットを受信したら、そのパケットIDを保存します。また、そのパケットIDをPUBRECパケットに設定して送信します。
送信側は、PUBRECパケットを受信したら、メッセージを破棄しPUBRECパケットのパケットIDを保存します。規定時間内にPUBRECパケットを受信しない場合、PUBLISHパケットでメッセージを再送します。

2回目のセッション
送信側は、PUBRECパケットを受信した後、パケットIDを設定したPUBRELパケットを送信します。
受信側は、PUBRELパケットを受信したら、そのパケットIDをPUBCOMPパケットに設定して送信します。また、そのパケットIDは破棄します。
送信側は、PUBCOMPパケットを受信したら、パケットをIDを破棄します。

QoS2の場合、以上の2セッションによって、アプリケーションメッセージのやり取りが完了します。
受信側は、PUBRELパケットを受信していない状態で、再度PUBLISHパケットでメッセージを受信した場合、重複して受信したと判断することができます。

送信	MQTT Control Packet	受信
①メッセージを保存
②PUBLISHパケットでメッセージを送信	→	③PUBLISHパケットを受信
⑤PUBRECパケットを受信	←	④受信したパケットIDをPUBRECパケットに設定して送信
⑥メッセージを破棄しPUBRECパケットのパケットIDを保存
⑦パケットIDを設定したPUBRELパケットを送信	→	⑧PUBRELパケットを受信
⑩PUBCOMPパケットを受信したら、パケットをIDを破棄	←	⑨パケットIDをPUBCOMPパケットに設定して送信
		（送信後、パケットIDを破棄）