Session とは何か

Client Identifier（クライアントID）で識別される、クライアントとの接続を一意に表す概念。つまり、同じクライアントIDの接続が2つ以上同時に存在することはできない¹。

Session State とは何か

文字通り、Sessionの状態を指す。以下の2つの状態がある。

サブスクライブ状態
クライアントがどのトピックをどのQoSでサブスクライブしているか、という情報の集合。
未完了のパブリッシュ・シーケンスの状態
PUBLISHパケットやPUBRELパケットを送信したが、その応答パケットが返ってきていない、という情報の集合。これは、QoS1、QoS2にのみ適用される。

ブローカーは、以下の2つのいずれかの条件を満たすとき、Session Stateを維持する。

クライアントが接続されている
クライアントが切断されているが、Session Stateの有効期限が切れていない

有効期限の設定方法

MQTTのバージョンで違いがある。

MQTT V3.1.1の場合

そもそも有効期限の規定がない。
CONNECTパケット送信時にConnect FlagsのCrean Sessionに0を指定することで、以前のSessionがあればそのSessionが使用される。1を指定した場合は、それまでのSessionは破棄され新しいSessionが作成される。

MQTT V5.0の場合

MQTT V3.1.1のCrean SessionはMQTT V5.0ではCrean Startに変更されている。また、CONNECTパケットのSession Expiry Intervalのプロパティに秒数を指定することで設定できる。
Session Expiry Intervalが

省略されたとき
0扱いとなる。
0のとき
ブローカーはクライアントとの切断後にSession Stateを維持しない。
0でないとき
ブローカーはクライアントとの切断後も指定された秒数だけSession Stateを維持する。
0xFFFFFFFFのとき
Session Stateの有効期限は無期限という扱いになる。

動作イメージ

クライアントAとブローカーの間で以下のようなやり取りが行われる:

クライアントAがブローカーに接続する際、CONNECTパケットを送信し、Session Expiry Intervalを例えば300秒に指定する。これにより、クライアントAとブローカー間の接続が切断された後も、ブローカーはクライアントAのSession Stateを300秒間維持するようになる。
クライアントAは/hello/worldというトピックをSubscribeする。ブローカーは、クライアントAのSession Stateを維持する。このSession Stateには、クライアントAがSubscribeしているトピック（/hello/world）の情報が含まれている。
その後、何らかの理由でクライアントAとブローカー間の接続が切断されたとする。この時点から、ブローカーはクライアントAのSession Stateを300秒間維持し続ける。
接続が切断されている間に、別のクライアントであるクライアントBが/hello/world宛てのメッセージをPublishしたとする。ブローカーは、クライアントAのSession Stateを維持しているため、このメッセージを破棄せずに保持する。
300秒が経過する前にクライアントAがMQTTブローカーに再接続すると、ブローカーは維持していたクライアントAのSession Stateを再利用する。これにより、クライアントAは以前にSubscribeしていたトピック（/hello/world）を再度Subscribeする必要がなくなる。また、ブローカーが保持していたメッセージ（クライアントBがPublishしたメッセージ）がクライアントAに配信される。

このように、Session Expiry Intervalを設定することで、一時的な接続の切断があっても、クライアントとブローカー間のSession Stateが維持され、メッセージの損失を防ぐことができる。

参考

AWS IoTのブローカーの場合、あるクライアントIDを持つクライアントAがブローカーに接続している状態で同一のクライアントIDを持つクライアントBが接続すると、元々接続していたクライアントAの接続が切断される、という動作をする。 ↩

MQTT の Session State についてざっくり理解する