跨组织环境下 MQTT 桥接架构的评估
论文标题
中文标题： 跨组织环境下 MQTT 桥接架构的评估
英文标题： Evaluation of MQTT Bridge Architectures in a Cross-Organizational Context
作者信息
Keila Lima, Tosin Daniel Oyetoyan, Rogardt Heldal, Wilhelm Hasselbring
Western Norway University of Applied Sciences, Norway
Email: {keila.lima, rogardt.heldal, tosin.daniel.oyetoyan}@hvl.no
Kiel University, Kiel, Germany
Email: hasselbring@email.uni-kiel.de
摘要
本文对物联网（IoT）平台中使用的 MQTT 桥接架构进行了初步研究，重点关注实时数据处理的基准配置选项。研究识别了系统组件部署中的相关 MQTT 可配置参数和指标，并以一个真实世界的 IoT 平台为基准，评估了在跨组织环境中数据传输的延迟和可靠性。研究结果表明，桥接组件的数量、MQTT 数据包大小和主题名称会对使用 MQTT 协议的 IoT 架构的质量属性产生影响。
1. 引言
随着 IoT 设备数量的快速增长（预计到 2025 年将达到 160 亿台），数据作为服务的提供方式变得越来越普遍。然而，这种跨组织的数据共享带来了互操作性和信任边界等问题。MQTT 协议作为一种轻量级的发布/订阅通信协议，被广泛应用于 IoT 系统中。本文研究了在跨组织环境中，MQTT 桥接架构的部署选项对延迟和可靠性的影响，并评估了主题名称和负载大小对性能的影响。
2. MQTT 在 IoT 架构中的角色
IoT 架构通常分为感知层、网络层、处理层、应用层和业务层。MQTT 协议因其轻量级和可靠性而被广泛应用于网络层。MQTT 采用发布/订阅模型，支持三种服务质量（QoS）级别：最多一次（QoS 0）、至少一次（QoS 1）和恰好一次（QoS 2）。本文还讨论了 MQTT 桥接架构的三种部署选项：单个代理、代理集群和代理桥接。
3. 方法论
本研究采用基准测试方法，评估了两种 MQTT 桥接架构部署选项（AUT 1 和 AUT 2）在跨组织环境下的延迟和可靠性。实验设置包括数据提供者、源代理、转换器（桥接组件）、目标代理和数据消费者。实验中考虑了不同的主题名称、QoS 级别和负载大小。实验使用真实传感器数据生成负载，并在不同的网络环境中进行测试。
4. 结果与讨论
实验结果显示，较小的负载大小（如 1.5 KB）在 QoS 0 级别下可以可靠传输，而较大的负载大小（如 35 KB 和 125 KB）则会遭受较高的消息丢失率。对于所有负载大小，QoS 1 和 QoS 2 级别在延迟和可靠性之间存在权衡。AUT 1 架构（每个数据提供者部署一个桥接组件）在延迟方面表现更好，而 AUT 2 架构（每个传感器中心部署一个桥接组件）在小负载大小下表现出更高的可靠性。此外，主题名称的长度对延迟有一定影响，但这种影响相对较小。
5. 有效性威胁
本文讨论了研究的构建有效性和可靠性。实验中使用了端到端延迟作为延迟指标，并通过在不同网络环境中部署客户端和代理来评估消息丢失情况。实验重复了 10 次以减少云基础设施和网络变化的影响。然而，由于实验仅考虑了有限的负载大小和部署选项，因此无法推广到其他配置。
6. 相关工作
本文回顾了其他关于 MQTT 性能评估的研究，这些研究主要关注 MQTT 代理的延迟、可扩展性和 QoS 级别。与以往研究不同，本文引入了主题名称长度作为基准参数，并使用真实传感器数据进行测试。此外，本文还讨论了网络局部性和负载大小对 MQTT 性能的影响。
7. 结论与未来工作
本文得出结论，MQTT 的负载大小和 QoS 级别对延迟和可靠性有显著影响。对于小负载大小，QoS 0 级别可以实现可靠传输，但对于大负载大小，应避免使用 QoS 0 级别。未来的研究可以进一步探索不同负载大小和网络条件下的 MQTT 性能，并考虑数据传输的能效作为质量属性。