MQTTX Project

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1 介绍
2 架构
- 2.1 目录结构
3 docker 启动
4 功能说明
5 开发者说
6 附表

1 介绍

Mqttx 基于 MQTT v3.1.1 协议开发，旨在提供 易于使用 且 性能优越 的 mqtt broker。

注意：分支 v1.2 要求 JDK17, 其它分支要求 JDK8

关联项目: Mqttx-Client 实现&使用极为简单的 mqttv3.1.1 客户端.

1.1 快速开始

想通过 docker 快速体验？见 docker 启动

打包
- 开发模式：
  1. 启动 redis 实例
  2. 运行 mvnw -P dev -DskipTests=true clean package
运行
1. 运行命令：java -jar mqttx-1.0.5.BETA.jar

快速开始-测试模式 图例：

测试模式
1. 集群功能被强制关闭
2. 消息保存在内存而不是 redis
开发模式
1. 消息会持久化到 redis, 默认连接 localhost:6376 无密码

所谓开发模式只是方便同学们快速启动项目，方便测试功能测试。熟悉项目后，同学们可通过修改 6.1 配置项 开启或关闭 mqttx 提供的各项功能。

mqttx 默认依赖 redis 实现消息持久化、集群等功能，使用其它中间件（mysql, mongodb, kafka 等）同样能够实现，而 springboot 具备 spring-boot-starter-*** 等各种可插拔组件，方便大家修改默认的实现

1.2 项目依赖

Redis：集群消息、消息持久化
Kafka：桥接消息支持，集群消息（可选功能）

其它说明：

项目使用了 lombok，使用 ide 请安装对应的插件

开发工具建议使用 Intellij IDEA 😊

举例：idea 需要安装插件 Lombok, settings > Build,Execution,Deployment > Compiler > Annotation Processor 开启 Enable annotation processing

1.3 线上实例

云服务到期，实例已经无法访问，有朋友赞助吗/(ㄒoㄒ)/~~

云端部署了一个 mqttx 单例服务，可供功能测试：

不支持 ssl

开启了 websocket, 可通过 http://ws.tool.tusk.link/ 测试，仅需将域名修改为：119.45.158.51(端口、地址不变)

支持共享订阅功能

部署版本 v1.0.6.RELEASE

2 架构

mqttx支持客户端认证、topic 发布/订阅鉴权功能，如果需要配套使用，建议的架构如下图：

客户认证服务由使用者自行实现

内部实现框架关系(仅列出关键项)：

2.1 目录结构

├─java
│  └─com
│      └─jun
│          └─mqttx
│              ├─broker         # mqtt 协议实现及处理包
│              │  ├─codec       # 编解码
│              │  └─handler     # 消息处理器（pub, sub, connn, etc）
│              ├─config         # 配置，主要是 bean 声明
│              ├─constants      # 常量
│              ├─consumer       # 集群消息消费者
│              ├─entity         # 实体类
│              ├─exception      # 异常类
│              ├─service        # 业务服务（用户认证, 消息存储等）接口
│              │  └─impl        # 默认实现
│              └─utils          # 工具类
└─resources                     # 资源文件（application.yml 在此文件夹）
    ├─META-INF                  # spring-configuration 辅助配置说明
    └─tls                       # ca 存放地址

3 docker 启动

镜像已上传至 docker-hub , 访问：fantasywujun/mqttx - Docker Hub 全部镜像

docker 环境安装好后，执行 docker-compose -f ./docker-compose.yml up 启动, 效果见下图：

Docker Pull Command	说明
`docker pull fantasywujun/mqttx:1.2.0`	基于 `jdk17.0.1` 的 `mqttx:1.2.0` 版本

docker-compose 文件内容：

version: "2"
services:
  redis:
    container_name: redis-for-mqttx
    image: redis
  mqttx:
    container_name: mqttx
    image: fantasywujun/mqttx:1.2.0
    ports:
      - 1883:1883
      - 8083:8083

4 功能说明

4.1 qos 支持

qos0	qos1	qos2
支持	支持	支持

为支持 qos1、qos2，引入 redis 作为持久层，这部分已经封装成接口，可自行替换实现（比如采用 mysql）。

4.2 topicFilter 支持

支持多级通配符 #与单级通配符 +
不支持以 /结尾的topic，比如 a/b/，请改为 a/b。
其它规则见 mqtt v3.1.1 4.7 Topic Names and Topic Filters

mqttx 仅对订阅 topicFilter 进行校验，publish 的 topic 是没有做合法性检查的，可通过开启 4.5 topic 安全支持限制客户端可发布的 topic。

举例：

topicFilter	match topics
`/a/b/+`	`/a/b/abc`,`/a/b/test`
`a/b/#`	`a/b`, `a/b/abc`, `a/b/c/def`
`a/+/b/#`	`a/nani/b/abc`
`/+/a/b/+/c`	`/aaa/a/b/test/c`

校验工具类为：com.jun.mqttx.utils.TopicUtils

4.3 集群支持

mqttx 依赖消息中间件分发消息实现集群功能，目前支持的中间件：

Kafka：可选配置
Redis：默认配置

实现原理如下图：

mqttx.cluster.enable：功能开关，默认 false
mqttx.cluster.type: 消息中间件类型，默认 redis

注意事项：

v1.0.5.RELEASE 之前的版本集群功能存在 bug，无法使用。
如需使用 kafka 实现集群消息，需要手动修改配置 application-*.yml, 可参考 application-dev.yml 中的配置示例 3. kafka 集群。

4.4 ssl 支持

开启 ssl 你首先应该有了 ca(自签名或购买)，然后修改 application.yml 文件中几个配置：

mqttx.ssl.enable：功能开关，默认 false，同时控制 websocket 与 socket
mqttx.ssl.key-store-location：keystore 地址，基于 classpath
mqttx.ssl.key-store-password：keystore 密码
mqttx.ssl.key-store-type：keystore 类别，如 PKCS12
mqttx.ssl.client-auth：服务端是否需要校验客户端证书，默认 NONE

resources/tls 目录中的 mqttx.keystore 仅供测试使用, 密码: 123456

证书加载工具类：com/jun/mqttx/utils/SslUtils.java

4.5 topic 安全支持

为了对 client 订阅 topic 进行限制，加入topic 订阅&发布鉴权机制:

mqttx.enable-topic-sub-pub-secure: 功能开关，默认 false
broker 收到 conn 报文后，会抓取 {clientId, username, password} 发起请求给 mqttx.auth.url , 该接口返回对象中含有 authorizedSub,authorizedPub 存储 client 被授权订阅及发布的 topic 列表。

详见 4.12 基础认证支持
broker 在消息订阅及发布都会校验客户端权限

支持的主题类型：

普通主题
共享主题
系统主题

4.6 共享主题支持

共享订阅是 mqtt5 协议规定的内容，很多 mq(例如 kafka) 都有实现。

mqttx.share-topic.enable: 功能开关，默认 true
格式: $share/{ShareName}/{filter}, $share 为前缀, ShareName 为共享订阅名, filter 就是非共享订阅主题过滤器。
目前支持 hash, random, round 三种规则

hash 选出的 client 会随着订阅客户端数量及发送消息客户端 clientId 变化而变化

下图展示了共享主题与常规主题之间的差异:

msg-a 消息分发策略取决于配置项 mqttx.share-topic.share-sub-strategy

可以配合 cleanSession = 1 的会话，共享主题的客户端断开连接后会被服务端移除订阅，这样共享主题的消息只会分发给在线的客户端。

CleanSession 介绍：mqtt3.1.1 协议规定当 cleanSession = 1 时，连接断开后与会话相关联的所有状态（不含 retained 消息）都会被删除（mqtt5 增加了会话超时设置，感兴趣的同学可以了解一下）。 mqttx v1.0.5.BETA 版本后(含)，cleanSession = 1 的会话消息保存在内存中，具备极高的性能.

If CleanSession is set to 1, the Client and Server MUST discard any previous Session and start a new one. This Session lasts as long as the Network Connection. State data associated with this Session MUST NOT be reused in any subsequent Session [MQTT-3.1.2-6].

The Session state in the Client consists of:

QoS 1 and QoS 2 messages which have been sent to the Server, but have not been completely acknowledged.

QoS 2 messages which have been received from the Server, but have not been completely acknowledged.

The Session state in the Server consists of:

The existence of a Session, even if the rest of the Session state is empty.

The Client’s subscriptions.

QoS 1 and QoS 2 messages which have been sent to the Client, but have not been completely acknowledged.

QoS 1 and QoS 2 messages pending transmission to the Client.

QoS 2 messages which have been received from the Client, but have not been completely acknowledged.

Optionally, QoS 0 messages pending transmission to the Client.

4.7 websocket 支持

支持

4.8 系统主题

mqttx broker 内置部分系统主题，用户可酌情使用。

系统主题不支持如下特性：

集群：系统主题不支持集群，包括消息及订阅
持久化：系统主题消息不支持持久化，包括订阅关系
QoS: 不支持 QoS 1,2 仅支持 QoS 0

注意：topic 安全机制 同样会影响客户端订阅系统主题, 未授权客户端将无法订阅系统主题

系统主题可分两种：

状态主题：反应 broker 自身状态的主题
功能主题：对外提供功能性支持的主题

4.8.1 状态主题

客户端可通过订阅系统主题获取 broker 状态，目前系统支持如下状态主题：

主题	描述
`$SYS/broker/{brokerId}/status`	触发方式：订阅此主题的客户端会定期（`mqttx.sys-topic.interval`）收到 broker 的状态，该状态涵盖下面所有主题的状态值. 注意：客户端连接断开后，订阅取消
`$SYS/broker/activeConnectCount`	立即返回当前的活动连接数量触发：订阅一次触发一次
`$SYS/broker/time`	立即返回当前时间戳触发：订阅一次触发一次
`$SYS/broker/version`	立即返回 `broker` 版本触发：订阅一次触发一次
`$SYS/broker/receivedMsg`	立即返回 `broker` 启动到现在收到的 `MqttMessage`, 不含 `ping` 触发：订阅一次触发一次
`$SYS/broker/sendMsg`	立即返回 `broker` 启动到现在发送的 `MqttMessage`, 不含 `pingAck` 触发：订阅一次触发一次
`$SYS/broker/uptime`	立即返回 `broker` 运行时长，单位秒触发：订阅一次触发一次
`$SYS/broker/maxActiveConnectCount`	立即返回 `broker` 运行至今的最大 `tcp` 连接数触发：订阅一次触发一次

系统主题 $SYS/broker/{brokerId}/status 中的 brokerId 为配置项参数（见 6.1 配置项），可通过携带通配符的主题 $SYS/broker/+/status 订阅。

响应对象格式为 json 字符串：

{
    "activeConnectCount": 1,
    "maxActiveConnectCount": 2,
    "receivedMsg": 6,
    "sendMsg": 77,
    "timestamp": "2021-03-23T23:05:37.035",
    "uptime": 149,
    "version": "1.0.7.RELEASE"
}

field	说明
`activeConnectCount`	当前活跃连接数量
`maxActiveConnectCount`	最大活跃连接数量
`receiveMsg`	收到消息数量，不含 ping
`sendMsg`	发送消息数量，不含 pingAck
`timestamp`	时间戳；(`yyyy-MM-dd HH:mm:ss`)
`uptime`	broker 上线时长，单位秒
`version`	`mqttx` 版本

4.8.2 功能主题

此功能需求源自 issue: 监听MQTT客户端状态（在线、离线） · Issue #8 · Amazingwujun/mqttx (github.com)

主题	描述
`$SYS/broker/{borkerId}/clients/{clientId}/connected`	客户端上线通知主题触发：当某个客户端上线后，broker 会发送消息给该主题
`$SYS/broker/{borkerId}/clients/{clientId}/disconnected`	客户端下线通知主题触发：当某个客户端掉线后，broker 会发送消息给该主题

这两个系统主题支持通配符，举例：

$SYS/broker/+/clients/#: 匹配客户端上下线通知主题
$SYS/broker/+/clients/+/connected: 匹配客户端上线通知主题
$SYS/broker/+/clients/+/disconnected: 匹配客户端下线通知主题

4.9 消息桥接支持

支持消息中间件：

kafka

消息桥接功能可方便的对接消息队列中间。

mqttx.message-bridge.enable：开启消息桥接功能
mqttx.bridge-topics：需要桥接消息的主题，主题必须符合 kafka 对 topic 的要求

mqttx 收到客户端发布的消息后，先判断桥接功能是否开启，然后再判断主题是否是需要桥接消息的主题，最后发布消息到 MQ。

仅支持单向桥接：device(client) => mqttx => MQ

4.10 主题限流支持

使用基于令牌桶算法的 com.jun.mqttx.utils.RateLimiter 对指定主题进行流量限制。

令牌桶算法参见：https://stripe.com/blog/rate-limiters

简单解释一下令牌桶概念：有一个最大容量为 capacity 的令牌桶，该桶以一定的速率补充令牌（replenish-rate），每次调用接口时消耗一定量（token-consumed-per-acquire）的令牌，令牌数目足够则请求通过。

主题限流仅适用于 qos 等于 0 的消息。

配置举例：

mqttx:
  rate-limiter:
    enable: true
    topic-rate-limits:
      # 例一
      - topic: "/test/a"
        capacity: 9
        replenish-rate: 4
        token-consumed-per-acquire: 3
      # 例二
      - topic: "/test/b"
        capacity: 5
        replenish-rate: 5
        token-consumed-per-acquire: 2

capacity: 桶容量
replenish-rate: 令牌填充速率
token-consumed-per-acquire: 每次请求消耗令牌数量

QPS 计算公式：

最大并发数：公式为 QPS = capacity ÷ token-consumed-per-acquire
1. 示例一：9 ÷ 3 = 3
2. 示例二：5 ÷ 2 = 2.5
最大持续并发数：公式 QPS = replenish-rate ÷ token-consumed-per-acquire
1. 示例一：4 ÷ 3 ≈ 1.3
2. 示例二：5 ÷ 2 = 2.5

4.11 消息持久化支持

mqttx 的持久化依赖 redis , mqttx 会持久化 cleanSession = false & qos > 0 的消息, 消息被 Serializer 序列化为字节数组后存储在 redis。

目前 mqttx 提供了两种序列化实现：

JsonSerializer
KryoSerializer

默认使用 JsonSerializer, 这是为了和之前的项目兼容；v1.0.6.release 版本后 KryoSerializer 将成为默认序列化实现。

可通过配置 mqttx.serialize-strategy 修改序列化实现。

4.12 基础认证支持

mqttx 提供基础客户端认证服务。

配置项：

mqttx.auth.url: 提供认证服务的接口地址。
mqttx.auth.timeout: HttpClient 请求超时

用户在配置文件中声明 mqtt.auth.url 后，对象 com.jun.mqttx.service.impl.DefaultAuthenticationServiceImpl 使用 HttpClient 发出 POST 请求给 mqttx.auth.url。

请求内容为 mqtt conn 报文中的 username, password.

POST / HTTP/1.1
Host: mqttx.auth.url
Content-Type: application/json
Content-Length: 91

{
    "clientId": "device_id_test",
    "username": "mqttx",
    "password": "123456"
}

认证成功后响应对象为 json 格式字符串:

{
    "authorizedSub": [
        "subTopic1",
        "subTopic2"
    ],
    "authorizedPub": [
        "pubTopic1",
        "pubTopic2"
    ]
}

认证成功返回响应可配合 4.5 topic 安全支持使用。

注意：

接口返回 http status = 200 即表明认证成功, 其它状态值一律为认证失败

5 开发者说

感谢 Jetbrains 为开源项目提供的 License
长期更新维护的分支
1. v1.0: 基于 jdk8 且 redis io 为 blocking 模式.
2. v1.2: 基于 jdk17 且 redis io 为 non-blocking 模式.
为使 mqttx 项目变得更好，请使用及学习该项目的同学主动反馈使用情况给我（提 issue 或加群反馈）
后续工作
- v1.0.8.RELEASE 版本开发
- v1.1.0.RELEASE 版本开发
- v1.2 版本开发
- v2.0 版本开发
- bug 修复
v1.2 版本由 JDK8 升级至 JDK17
v2.0 版本分支将作为 mqttv5 协议版本开始迭代
这段时间工作任务繁重，功能迭代暂时停止，当然 bug 我还是会优先处理🙂
请作者喝杯 丝绒拿铁 😊
交流群

6 附表

6.1 配置项

src/main/resources 目录下有三个配置文件：

application.yml
application-dev.yml
application-prod.yml

后两个配置文件目的是区分不同环境下的配置，便于管理。

配置项说明：

配置	默认值	说明
`mqttx.version`	取自 `pom.xml`	版本
`mqttx.broker-id`	取自 `pom.xml`	应用标志, 唯一
`mqttx.heartbeat`	`60s`	初始心跳，会被 conn 消息中的 keepalive 重置
`mqttx.host`	`0.0.0.0`	监听地址
`mqttx.so-backlog`	`512`	tcp 连接处理队列
`mqttx.enable-topic-sub-pub-secure`	`false`	客户订阅/发布主题安全功能，开启后将限制客户端发布/订阅的主题
`mqttx.enable-inner-cache`	`true`	发布消息每次都需要查询 redis 来获取订阅的客户端列表。开启此功能后，将在内存中建立一个主题-客户端关系映射, 应用直接访问内存中的数据即可
`mqttx.ignore-client-self-pub`	`true`	忽略 client 发送给自己的消息（当 client 发送消息给自己订阅的主题）
`mqttx.serialize-strategy`	`json`	`broker` 采用的序列化策略，集群策略必须一致。
`mqttx.redis.cluster-session-hash-key`	`mqttx.session.key`	redis map key；用于集群的会话存储
`mqttx.redis.topic-prefix`	`mqttx:topic:`	主题前缀； topic <==> client 映射关系保存
`mqttx.redis.retain-message-prefix`	`mqttx:retain:`	保留消息前缀, 保存 retain 消息
`mqttx.redis.pub-msg-set-prefix`	`mqttx:client:pubmsg:`	client pub消息 redis set 前缀；保存 pubmsg，当收到 puback 获取 pubrec 后删除
`mqttx.redis.pub-rel-msg-set-prefix`	`mqttx:client:pubrelmsg:`	client pubRel 消息 redis set 前缀；保存 pubrel 消息 flag，收到 pubcom 消息删除
`mqttx.redis.topic-set-key`	`mqttx:alltopic`	topic 集合，redis set key 值；保存全部主题
`mqttx.redis.message-id-prefix`	`mqttx:messageId:`	非 `cleanSession` client 的 `messageId`, 使用 `redis INCR` 指令
`mqttx.redis.client-topic-set-prefix`	`mqttx:client:topicset:`	client 订阅的主题 redis set 前缀; 保存 client 订阅的全部主题
`mqttx.cluster.enable`	`false`	集群开关
`mqttx.cluster.inner-cache-consistancy-key`	`mqttx:cache_consistence`	应用启动后，先查询 redis 中无此 key 值，然后在检查一致性
`mqttx.cluster.type`	`redis`	集群消息中间件类型
`mqttx.ssl.enable`	`false`	ssl 开关
`mqttx.ssl.client-auth`	`NONE`	客户端证书校验
`mqttx.ssl.key-store-location`	`classpath: tls/mqttx.keystore`	keyStore 位置
`mqttx.ssl.key-store-password`	`123456`	keyStore 密码
`mqttx.ssl.key-store-type`	`pkcs12`	keyStore 类别
`mqttx.socket.enable`	`true`	socket 开关
`mqttx.socket.port`	`1883`	socket 监听端口
`mqttx.websocket.enable`	`false`	websocket 开关
`mqttx.websocket.port`	`8083`	websocket 监听端口
`mqttx.websocket.path`	`/mqtt`	websocket path
`mqttx.share-topic.enable`	`true`	共享主题功能开关
`mqttx.share-topic.share-sub-strategy`	`round`	负载均衡策略, 目前支持随机、轮询、哈希
`mqttx.sys-topic.enable`	`false`	系统主题功能开关
`mqttx.sys-topic.interval`	`60s`	定时发布间隔
`mqttx.message-bridge.enable`	`false`	消息桥接功能开关
`mqttx.message-bridge.topics`	`null`	需要桥接消息的主题列表
`mqttx.rate-limiter.enable`	`false`	主题限流开关
`mqttx.rate-limiter.token-rate-limit`		参见主题限流支持配置举例说明
`mqttx.auth.url`	`null`	mqtt conn username/password 认证服务接口地址
`mqttx.auth.timeout`	`3s`	readTimeout

6.2 版本说明

prometheus 分支为 MQTTX 整合监控系统 Prometheus 的代码，有需要的用户可参考该分支代码.

6.2.1 v1.0

v1.0.8.RELEASE
- 消息集中持久化到 redis hmap 数据结构中，PubMsg 仅保存 hmap 中的 payloadId, 该优化目的在于防止消息膨胀导致的 redis 内存耗用过大。（之前版本消息都是持久化到客户端各自的 PubMsg）
v1.0.7.RELEASE
- 增加序列化框架 Kryo 的支持
- 系统主题新增客户端上下线通知主题
- 修复新增订阅触发 retain 消息后，消息分发给全部订阅者的 bug
- 修复遗嘱消息 isWillRetain:true 持久化的bug
- bug 修复及优化
v1.0.6.RELEASE
- netty 4.1.52.Final 这个版本的 MqttEncoder.java 处理 UnsubAck 响应消息会导致 NPE，直接影响功能，不得不提前结束此版本的开发
- bug 修复
v1.0.5.RELEASE
- 测试模式支持
- epoll 支持，见 https://netty.io/wiki/native-transports.html
- 优化 cleanSession 消息处理机制
- 消息桥接
- bug 修复及优化
v1.0.4.RELEASE
- websocket 支持
- 集群状态自检
- bug 修复及优化
v1.0.3.RELEASE
- bug 修复
v1.0.2.RELEASE
- 共享主题加入轮询策略
- bug 修复及优化
v1.0.1.RELEASE
- 基于 redis 的集群功能支持
- 共享主题支持
- 主题权限功能
- bug 修复及优化
v1.0.0.RELEASE
- mqttv3.1.1 完整协议实现

6.2.2 v1.1

v1.1.0.RELEASE（开发中）
- redis 同步转异步实现，提升性能

6.2.3 v2.0

v2.0.0.RELEASE
- mqtt5 支持

6.2.4 v1.2

v1.2.0.RELEASE
- 项目依赖 JDK 升级，当前版本：JDK8 目标版本：JDK17
v1.2.1.ALPHA
- reactor 改造。

6.3 Benchmark

版本过低，此 Benchmark 已不可靠

测试条件简陋，结果仅供参考。

版本： MQTTX v1.0.5.BETA

工具： mqtt-bench

机器：

系统	cpu	内存
`win10`	`i5-4460`	`16G`

6.3.1 CleanSessionTrue

启用 redis
cleanSession : true

实际上 pub 消息存储并未走 redis，原因见共享主题中关于 cleanSession 的介绍

执行 java -jar -Xmx1g -Xms1g mqttx-1.0.5.BETA.jar

qos0

C:\Users\Jun\go\windows_amd64>mqtt-bench.exe -broker=tcp://localhost:1883 -action=pub -clients=1000 -qos=0 -count=1000
2020-09-30 15:33:54.462089 +0800 CST Start benchmark
2020-09-30 15:34:33.6010217 +0800 CST End benchmark

Result : broker=tcp://localhost:1883, clients=1000, totalCount=1000000, duration=39134ms, throughput=25553.23messages/sec

qos1

C:\Users\Jun\go\windows_amd64>mqtt-bench.exe -broker=tcp://localhost:1883 -action=pub -clients=1000 -qos=1 -count=1000
2020-09-30 15:29:17.9027515 +0800 CST Start benchmark
2020-09-30 15:30:25.0316915 +0800 CST End benchmark

Result : broker=tcp://localhost:1883, clients=1000, totalCount=1000000, duration=67124ms, throughput=14897.80messages/sec

qos2

C:\Users\Jun\go\windows_amd64>mqtt-bench.exe -broker=tcp://localhost:1883 -action=pub -clients=1000 -qos=2 -count=1000
2020-09-30 15:37:00.0678207 +0800 CST Start benchmark
2020-09-30 15:38:55.4419847 +0800 CST End benchmark

Result : broker=tcp://localhost:1883, clients=1000, totalCount=1000000, duration=115369ms, throughput=8667.84messages/sec

并发连接数量	行为	单个消息大小	单连接消息数量	报文总数	qos	耗时	qps
`1000`	发布消息	`1024byte`	`1000`	一百万	`0`	`39.1s`	`25553`
`1000`	发布消息	`1024byte`	`1000`	一百万	`1`	`67.1s`	`14897`
`1000`	发布消息	`1024byte`	`1000`	一百万	`2`	`115.3s`	`8667`

资源消耗：cpu: 25%, mem 440 MB

6.3.2 CleanSessionFalse

启用 redis
cleanSession: false