MQTT 协议 Keep Alive 详解
EMQX Team
为什么需要 Keep Alive
MQTT 协议是承载于 TCP 协议之上的，而 TCP 协议以连接为导向，在连接双方之间，提供稳定、有序的字节流功能。 但是，在部分情况下，TCP 可能出现半连接问题。所谓半连接，是指某一方的连接已经断开或者没有建立，而另外一方的连接却依然维持着。在这种情况下，半连接的一方可能会持续不断地向对端发送数据，而显然这些数据永远到达不了对端。为了避免半连接导致的通信黑洞，MQTT 协议提供了 Keep Alive 机制，使客户端和 MQTT 服务器可以判定当前是否存在半连接问题，从而关闭对应连接。
MQTT Keep Alive 的机制流程与使用
启用 Keep Alive
客户端在创建和 MQTT Broker 的连接时，只要将连接请求协议包内的 Keep Alive 可变头部字段设置为非 0 值，就可以在通信双方间启用 Keep Alive 机制。 Keep Alive 为 0~65535 的一个整数，代表客户端发送两次 MQTT 协议包之间的最大间隔时间。
而 Broker 在收到客户端的连接请求后，会检查可变头部中的 Keep Alive 字段的值，如果有值，则 Broker 将会启用 Keep Alive 机制。
MQTT 5.0 Server Keep Alive
在 MQTT 5.0 标准中，引入了 Server Keep Alive 的概念，允许 Broker 根据自身的实现等因素，选择接受客户端请求中携带的 Keep Alive 值，或者是覆盖这个值。如果 Broker 选择覆盖这个值，则需要将新值设置在连接确认包(CONNACK) 的 Server Keep Alive 字段中，客户端如果在连接确认包中读取到了 Server Keep Alive，则需要使用该值，覆盖自己之前的 Keep Alive 的值。
Keep Alive 机制流程
客户端流程
在连接建立后，客户端需要确保, 自己任意两次 MQTT 协议包的发送间隔不超过 Keep Alive 的值，如果客户端当前处于空闲状态，没有可发送的包，则可以发送 PINGREQ 协议包。
当客户端发送 PINGREQ 协议包后，Broker 必须返回一个 PINGRESP 协议包，如果客户端在一个可靠的时间内，没有收到服务器的 PINGRESP 协议包，则说明当前存在半连接、或者 Broker 已经下线、或者出现了网络故障，这个时候，客户端应当关闭当前连接。
Broker 流程
在连接建立后，Broker 如果没有在 Keep Alive 的 1.5 倍时间内，收到来自客户端的任何包，则会认为和客户端之间的连接出现了问题，此时 Broker 便会断开和客户端的连接。
如果 Broker 收到了来自客户端的 PINGREQ 协议包，需要回复一个 PINGRESP 协议包进行确认。
客户端接管机制
当 Broker 里存在半连接时，如果对应的客户端发起了重连或新的连接，则 Broker 会启动客户端接管机制：关闭旧的半连接，然后与客户端建立新的连接。
这种机制保证了客户端不会因为 Broker 里存在的半连接，导致无法进行重连。
Keep Alive 与遗嘱消息
Keep Alive 通常还可以与遗嘱消息结合使用，通过遗嘱消息，设备可将自己的意外掉线情况及时通知第三方。
如下图，该客户端连接时设置了 Keep Alive 为 5 秒，并且设置了遗嘱消息。那么当服务器 7.5 秒（1.5 倍 Keep Alive）内未收到该客户端的任何报文时，即会向 last_will 主题发送 Payload 为 offline 的遗嘱消息。
更多关于遗嘱消息的介绍可查看博客：MQTT 遗嘱消息（Will Message）的使用。
如何在 EMQX 中使用 Keep Alive
在 EMQX 中，用户可以通过配置来自定义 Keep Alive 机制的行为，主要配置字段有:
zone.${zoneName}.server_keepalive
server_keepalive 类型 默认值 整型 无
如果没有设置这个值，则 EMQX 会按照客户端创建连接时的 Keep Alive 的值，来控制 Keep Alive 的行为。
如果设置了这个值，则 Broker 会对该 zone 下面所有的连接，强制启用 Keep Alive 机制，并且会使用这个值，覆盖客户端连接请求中的值。
zone.${zoneName}.keepalive_backoff
keepalive_backoff 类型 默认值 浮点数 0.75
MQTT 协议中要求 Broker 在 1.5 倍 Keep Alive 时间内，如果没有收到客户端的任何协议包，则认定客户端断开了连接。
而在 EMQX 中，我们引入了退让系数(keepalive backoff)，并将这个系数通过配置暴露出来，方便用户更灵活的控制 Broker 端的 Keep Alive 行为。
在引入退让系数后，EMQX 通过下面的公式来计算最大超时时间:
Keepalive * backoff * 2
backoff 默认值为0.75，因此在用户不修改该配置的情况下，EMQX 的行为完全符合 MQTT 标准。
更多相关内容请参见 EMQX 配置文档。
WebSocket 连接时设置 Keep Alive
EMQX 支持客户端通过 WebSocket 接入，当客户端使用 WebSocket 发起连接时，只需要在连接参数中设置上 keepalive 的值即可， 具体见使用 WebSocket 连接 MQTT 服务器。
结语
本文介绍了 MQTT 协议中 Keep Alive 的机制及 EMQX 中 Keep Alive 的使用，开发者可以借助这一特性确保 MQTT 连接的稳定性，构建更加健壮的上层物联网应用。
接下来可访问 EMQ 提供的 MQTT 入门与进阶系列文章学习 MQTT 主题及通配符、保留消息、遗嘱消息等相关概念，探索 MQTT 的更多高级应用，开启 MQTT 应用及服务开发。