MQTT over QUIC：EMQ 攜手英特爾、上海交大與全球名校共同探索下一代物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

憑借多路復(fù)用、更快的連接建立和遷移等優(yōu)勢(shì)特性，MQTT over QUIC 已逐漸成為下一代的物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。EMQ 在產(chǎn)品中開(kāi)創(chuàng)性的采用 MQTT over QUIC 這一協(xié)議，為各行業(yè)的用戶提供更好的性能和更穩(wěn)定連接，特別適用于解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下出現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)傳輸挑戰(zhàn)。

MQTT over QUIC 將傳統(tǒng) MQTT 協(xié)議中基于 TCP 的傳輸層協(xié)議替換為了 QUIC（Quick UDP Internet Connections）。與 TCP 不同，QUIC 基于 UDP（User Datagram Protocol）構(gòu)建，更適合在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行通信，帶來(lái)低延遲、減少握手時(shí)間、支持多路復(fù)用等諸多優(yōu)勢(shì)。

在 2023 年夏季，EMQ 聯(lián)合英特爾和上海交通大學(xué)推出了一門(mén)短期課程，旨在向國(guó)內(nèi)外高校學(xué)生深入講解和實(shí)踐 MQTT over QUIC 協(xié)議的各項(xiàng)性能。在課程中，我們模擬了車(chē)聯(lián)網(wǎng)中常見(jiàn)的不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為大學(xué)提供了機(jī)會(huì)利用 MQTT over QUIC 協(xié)議設(shè)計(jì)并執(zhí)行各種實(shí)驗(yàn)。課程中使用英特爾開(kāi)發(fā)套件愛(ài)克斯開(kāi)發(fā)板 AIxBoard，并運(yùn)用 EMQ 的各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)軟件完成整個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的實(shí)踐。

大學(xué)關(guān)于 MQTT over QUIC 的案例分享

1- MQTT over QUIC 在弱網(wǎng)環(huán)境下的性能驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)一：
來(lái)自烏克蘭 Kharkiv National University of Radio Electronics 大學(xué) 的 Dmytro Fedoryshyn 同學(xué)，利用EMQX 5.0 與 emqtt_bench 工具，在 AWS c7g.xlarge (4vCPU/8Gi) 實(shí)例上，比較了 MQTT over QUIC 與 MQTT over TCP 兩者之間的性能表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)：Dmytro Fedoryshyn 同學(xué)采用隨機(jī)丟包模擬真實(shí)的弱網(wǎng)環(huán)境，其結(jié)果顯示了MQTT over QUIC在網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)時(shí)依然具備很高的穩(wěn)定性，下圖為性能評(píng)估結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“通過(guò)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，我們探索了 MQTT over QUIC 相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) MQTT over TCP 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì) —— 即使在弱網(wǎng)環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定高效運(yùn)行。這是車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要突破，因?yàn)樵S多車(chē)輛用戶常常面臨相似的問(wèn)題：車(chē)輛可能在山區(qū)、礦區(qū)、隧道等地運(yùn)行，這可能導(dǎo)致連接中斷。頻繁的連接中斷和緩慢的重連帶來(lái)糟糕的用戶體驗(yàn)，而 MQTT over QUIC 是緩解這個(gè)問(wèn)題的完美方式?！?/p>

實(shí)驗(yàn)二：

來(lái)自加拿大多倫多大學(xué)的 Eleonora Scognamiglio 同學(xué)和英國(guó)華威大學(xué)的 Thomas Nguyen 同學(xué)，聯(lián)手設(shè)計(jì)了一組驗(yàn)證方案，研究不同網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下 MQTT over QUIC 與 MQTT over TCP 的性能差異。

實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)：Eleonora Scognamiglio 同學(xué)和 Thomas Nguyen 同學(xué)，使用不同比例的隨機(jī)丟包策略，探尋在各種網(wǎng)絡(luò)狀況下 MQTT over QUIC 和 MQTT over TCP 的性能差異，證明在各種弱網(wǎng)狀況下，MQTT over QUIC 均有明顯的性能優(yōu)勢(shì)：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“上圖總結(jié)了我們的研究結(jié)果，包括兩種協(xié)議在不同連接條件下達(dá)到的最大數(shù)據(jù)包傳輸速率。通過(guò)上述對(duì)四種網(wǎng)絡(luò)條件（0%、25%、50%、75%）的測(cè)試，我們可以看到，在網(wǎng)絡(luò)條件好的情況下，MQTT over QUIC 和 MQTT over TCP 兩種協(xié)議表現(xiàn)相似；然而，隨著丟包率的增加，MQTT over QUIC 的性能似乎優(yōu)于其對(duì)手。因此，我們可以得出結(jié)論，MQTT over QUIC 的速度和穩(wěn)定性更好，尤其在弱網(wǎng)絡(luò)條件下表現(xiàn)出色?！?2- MQTT over QUIC 橋接方案

在 MQTT over QUIC 橋接技術(shù)的專(zhuān)題課程中，來(lái)自上海交通大學(xué)的 Fengping Sun 同學(xué)和加拿大多倫多大學(xué)的 Phoebe Chuang 同學(xué)，利用 EMQ 的 NanoMQ 的橋接功能，在英特爾 AIxBoard 開(kāi)發(fā)板上真實(shí)地模擬了物聯(lián)網(wǎng)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的場(chǎng)景，成功地通過(guò) MQTT over QUIC 方案，將傳感器數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，驗(yàn)證了該技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)景中的可行性。

實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)：在此專(zhuān)題課程中，F(xiàn)engping Sun 和 Phoebe Chuang 用英特爾 AIxBoard 開(kāi)發(fā)板模擬車(chē)端環(huán)境，使用MQTT publisher 通過(guò) MQTT over TCP 協(xié)議將模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到車(chē)端上部署的 NanoMQ。NanoMQ 負(fù)責(zé)將 MQTT 連接映射到QUIC 流，將數(shù)據(jù)上傳到云端的 EMQX 集群。這種方法的好處在于，它不需要對(duì)客戶端進(jìn)行修改或適配，同時(shí)還能夠充分利用 MQTT over QUIC 的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下，MQTT over QUIC 與 MQTT over TCP 性能相似。在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下， 相較 MQTT over TCP 的傳輸率在每秒 3 - 300 數(shù)據(jù)包間浮動(dòng)，MQTT over QUIC能夠穩(wěn)定在每秒傳輸 260 - 280 數(shù)據(jù)包，有明顯的性能提升 ”

課程支持

EMQ

EMQ（杭州映云科技有限公司）是全球領(lǐng)先的開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施軟件供應(yīng)商。本次課程中所使用到的核心產(chǎn)品組合包括 EMQX，是世界上最可擴(kuò)展、可靠的開(kāi)源 MQTT 消息平臺(tái)，此平臺(tái)同時(shí)也提供商用版；以及 NanoMQ，一個(gè)可以運(yùn)行在物聯(lián)網(wǎng)邊緣端的超輕量 MQTT 中間件。它們共同提供了一站式的云原生解決方案，讓邊緣端和云端的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)連接、傳輸、處理和分析。EMQ 公司成立于 2017 年，旗艦產(chǎn)品 EMQX 擁有來(lái)自 50 多個(gè)國(guó)家的500 多家企業(yè)用戶，連接全球超過(guò) 2.5 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

英特爾

本次課程中學(xué)生們使用的英特爾開(kāi)發(fā)者套件 AIxBoard（愛(ài)克斯板）開(kāi)發(fā)板是專(zhuān)為支持入門(mén)級(jí)邊緣 AI 應(yīng)用程序和設(shè)備而設(shè)計(jì)，能夠滿足人工智能學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)、實(shí)訓(xùn)等應(yīng)用場(chǎng)景。該開(kāi)發(fā)板是類(lèi)樹(shù)莓派的 x86 主機(jī)，可支持 Linux Ubuntu 及完整版 Windows 操作系統(tǒng)。板載一顆英特爾4核處理器，最高運(yùn)行頻率可達(dá)2 .9 GHz，且內(nèi)置核顯（iGPU），板載 64GB eMMC 存儲(chǔ)及 LPDDR4x 2933MHz（4GB/6GB/8GB），內(nèi)置藍(lán)牙和 Wi-Fi 模組，支持 USB 3.0、HDMI 視頻輸出、3.5mm 音頻接口、1000Mbps 以太網(wǎng)口。完全可把它作為一臺(tái) mini 小電腦來(lái)看待，且其可外接 Arduino，STM32 等單片機(jī)，擴(kuò)展更多應(yīng)用及各種傳感器模塊。

英特爾開(kāi)發(fā)者套件 AIxBoard（愛(ài)克斯板）開(kāi)發(fā)板

在過(guò)去的50多年里，英特爾對(duì)世界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，通過(guò)創(chuàng)造徹底革新我們生活方式的激進(jìn)創(chuàng)新，推動(dòng)著商業(yè)和社會(huì)的發(fā)展。如今，英特爾正在運(yùn)用其影響力、規(guī)模和資源，使各類(lèi)企業(yè)更充分地進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。