## MQTT 協議中的 Keep Alive 機制

### 為什麼需要 Keep Alive

[MQTT 協議](https://www.emqx.com/zh/mqtt)是承載於 TCP 協議之上的，而 TCP 協議以連線為導向，在連線雙方之間，提供穩定、有序的位元組流功能。 但是，在部分情況下，TCP 可能出現半連線問題。所謂半連線，是指某一方的連線已經斷開或者沒有建立，而另外一方的連線卻依然維持著。在這種情況下，半連線的一方可能會持續不斷地向對端傳送資料，而顯然這些資料永遠到達不了對端。為了避免半連線導致的通訊黑洞，MQTT 協議提供了 **Keep Alive** 機制，使客戶端和 [MQTT 伺服器](https://www.emqx.io/zh)可以判定當前是否存在半連線問題，從而關閉對應連線。

### Keep Alive 的機制流程與使用

#### 啟用

客戶端在建立和 MQTT Broker 的連線時，只要將連線請求協議包內的 *Keep Alive* 可變頭部欄位設定為非 0 值，就可以在通訊雙方間啟用 **Keep Alive** 機制。 *Keep Alive* 為 0~65535 的一個整數，代表客戶端傳送兩次 MQTT 協議包之間的最大間隔時間。

而 Broker 在收到客戶端的連線請求後，會檢查可變頭部中的 *Keep Alive* 欄位的值，如果有值，則 Broker 將會啟用 **Keep Alive** 機制。

在 [MQTT 5.0](https://www.emqx.com/zh/mqtt/mqtt5) 標準中，引入了 *Server Keep Alive* 的概念，允許 Broker 根據自身的實現等因素，選擇接受客戶端請求中攜帶的 *Keep Alive* 值，或者是覆蓋這個值。如果 Broker 選擇覆蓋這個值，則需要將新值設定在連線確認包(**CONNACK**) 的 *Server Keep Alive* 欄位中，客戶端如果在連線確認包中讀取到了 *Server Keep Alive*，則需要使用該值，覆蓋自己之前的 *Keep Alive* 的值。

#### Keep Alive 機制流程

1. 客戶端流程

在連線建立後，客戶端需要確保, 自己任意兩次 MQTT 協議包的傳送間隔不超過 *Keep Alive* 的值，如果客戶端當前處於空閒狀態，沒有可傳送的包，則可以傳送 **PINGREQ** 協議包。

當客戶端傳送 **PINGREQ** 協議包後，Broker 必須返回一個 **PINGRESP** 協議包，如果客戶端在一個可靠 的時間內，沒有收到伺服器的 **PINGRESP** 協議包，則說明當前存在半連線、或者 Broker 已經下線、或者出現了網路故障，這個時候，客戶端應當關閉當前連線。

2. Broker 流程

在連線建立後，Broker 如果沒有在 *Keep Alive* 的 1.5 倍時間內，收到來自客戶端的任何包，則會認為和客戶端之間的連線出現了問題，此時 Broker 便會斷開和客戶端的連線。

如果 Broker 收到了來自客戶端的 **PINGREQ** 協議包，需要回復一個 **PINGRESP** 協議包進行確認。

3. 客戶端接管機制

當 Broker 記憶體在半連線時，如果此時對應的客戶端發起了重連、新的連線，則 Broker 會啟動客戶端接管機制：關閉舊的半連線，然後與客戶端建立新的連線。

這種機制保證了客戶端不會因為 Broker 內的半連線問題，導致無法進行重連。

## 如何在 EMQX 中使用 Keep Alive

在 [EMQX](https://www.emqx.com/zh/products/emqx) 中，使用者可以透過配置來自定義 **Keep Alive** 機制的行為，主要配置欄位有:

```apache
zone.${zoneName}.server_keepalive
server_keepalive 型別 預設值   整型 無
```

如果沒有設定這個值，則 EMQX 會按照客戶端建立連線時的 *Keep Alive* 的值，來控制 **Keep Alive** 的行為。

如果設定了這個值，則 Broker 會對該 zone 下面所有的連線，強制啟用 **Keep Alive** 機制，並且會使用這個值，覆蓋客戶端連線請求中的值。

```apache
zone.${zoneName}.keepalive_backoff
keepalive_backoff 型別 預設值   浮點數 0.75
```

MQTT 協議中要求 Broker 在 1.5 倍 *Keep Alive* 時間內，如果沒有收到客戶端的任何協議包，則認定客戶端斷開了連線。

而在 EMQX 中，我們引入了退讓係數(keepalive backoff)，並將這個係數透過配置暴露出來，方便使用者更靈活的控制 Broker 端的 **Keep Alive** 行為。

在引入退讓係數後，EMQX 透過下面的公式來計算最大超時時間:

```apache
Keepalive * backoff * 2
```

*backoff* 預設值為0.75，因此在使用者不修改該配置的情況下，EMQX 的行為完全符合 MQTT 標準。

更多相關內容請參見 [EMQX 配置文件](https://www.emqx.io/docs/zh/v4.3/configuration/configuration.html)。

**WebSocket 連線時設定 Keep Alive**

EMQX 支援客戶端透過 WebSocket 接入，當客戶端使用 WebSocket 發起連線時，只需要在連線引數中設定上 keepalive 的值即可， 具體見[使用 WebSocket 連線 MQTT 伺服器](https://www.emqx.com/zh/blog/connect-to-mqtt-broker-with-websocket)。

## 結語

本文介紹了 MQTT 協議中 Keep Alive 的機制及 EMQX 中 Keep Alive 的使用，開發者可以藉助這一特性確保 MQTT 連線的穩定性，構建更加健壯的上層物聯網應用。

>版權宣告： 本文為 EMQ 原創，轉載請註明出處。
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>原文連結：[https://www.emqx.com/zh/blog/mqtt-keep-alive](https://www.emqx.com/zh/blog/mqtt-keep-alive)

MQTT 協議 Keep Alive 詳解

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