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)勢特性，MQTT over QUIC 已逐漸成為下一代的物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標準。EMQ 在產(chǎn)品中開創(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)條件下進行通信，帶來低延遲、減少握手時間、支持多路復(fù)用等諸多優(yōu)勢。

在 2023 年夏季，EMQ 聯(lián)合英特爾和上海交通大學(xué)推出了一門短期課程，旨在向國內(nèi)外高校學(xué)生深入講解和實踐 MQTT over QUIC 協(xié)議的各項性能。在課程中，我們模擬了車聯(lián)網(wǎng)中常見的不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為大學(xué)提供了機會利用 MQTT over QUIC 協(xié)議設(shè)計并執(zhí)行各種實驗。課程中使用英特爾開發(fā)套件愛克斯開發(fā)板 AIxBoard，并運用 EMQ 的各類物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)軟件完成整個開發(fā)項目的實踐。

大學(xué)關(guān)于 MQTT over QUIC 的案例分享

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

實驗一：
來自烏克蘭 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) 實例上，比較了 MQTT over QUIC 與 MQTT over TCP 兩者之間的性能表現(xiàn)。

實驗經(jīng)過：Dmytro Fedoryshyn 同學(xué)采用隨機丟包模擬真實的弱網(wǎng)環(huán)境，其結(jié)果顯示了MQTT over QUIC在網(wǎng)絡(luò)波動時依然具備很高的穩(wěn)定性，下圖為性能評估結(jié)果：

實驗結(jié)論：“通過進行基準測試，我們探索了 MQTT over QUIC 相對于標準 MQTT over TCP 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的關(guān)鍵優(yōu)勢 —— 即使在弱網(wǎng)環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定高效運行。這是車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要突破，因為許多車輛用戶常常面臨相似的問題：車輛可能在山區(qū)、礦區(qū)、隧道等地運行，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糟糕的用戶體驗，而 MQTT over QUIC 是緩解這個問題的完美方式。”

實驗二：

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

實驗經(jīng)過：Eleonora Scognamiglio 同學(xué)和 Thomas Nguyen 同學(xué)，使用不同比例的隨機丟包策略，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：

實驗結(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到的最大數(shù)據(jù)包傳輸速率。通過上述對四種網(wǎng)絡(luò)條件（0%、25%、50%、75%）的測試，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)的專題課程中，來自上海交通大學(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 開發(fā)板上真實地模擬了物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)中的場景，成功地通過 MQTT over QUIC 方案，將傳感器數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，驗證了該技術(shù)在實際場景中的可行性。

實驗經(jīng)過：在此專題課程中，F(xiàn)engping Sun 和 Phoebe Chuang 用英特爾 AIxBoard 開發(fā)板模擬車端環(huán)境，使用MQTT publisher 通過 MQTT over TCP 協(xié)議將模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到車端上部署的 NanoMQ。NanoMQ 負責(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，它不需要對客戶端進行修改或適配，同時還能夠充分利用 MQTT over QUIC 的優(yōu)勢。

實驗結(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，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，是世界上最可擴展、可靠的開源 MQTT 消息平臺，此平臺同時也提供商用版；以及 NanoMQ，一個可以運行在物聯(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)可以實時連接、傳輸、處理和分析。EMQ 公司成立于 2017 年，旗艦產(chǎn)品 EMQX 擁有來自 50 多個國家的500 多家企業(yè)用戶，連接全球超過 2.5 億臺物聯(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發(fā)者套件 AIxBoard（愛克斯板）開發(fā)板是專為支持入門級邊緣 AI 應(yīng)用程序和設(shè)備而設(shè)計，能夠滿足人工智能學(xué)習(xí)、開發(fā)、實訓(xùn)等應(yīng)用場景。該開發(fā)板是類樹莓派的 x86 主機，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，最高運行頻率可達2 .9 GHz，且內(nèi)置核顯（iGPU），板載 64GB eMMC 存儲及 LPDDR4x 2933MHz（4GB/6GB/8GB），內(nèi)置藍牙和 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 mini 小電腦來看待，且其可外接 Arduino，STM32 等單片機，擴展更多應(yīng)用及各種傳感器模塊。

英特爾開發(fā)者套件 AIxBoard（愛克斯板）開發(fā)板

在過去的50多年里，英特爾對世界產(chǎn)生了深遠的影響，通過創(chuàng)造徹底革新我們生活方式的激進創(chuàng)新，推動著商業(yè)和社會的發(fā)展。如今，英特爾正在運用其影響力、規(guī)模和資源，使各類企業(yè)更充分地進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。