Zenoh在工业物联网场景中的性能研究
论文标题
中文标题：Zenoh在工业物联网场景中的性能研究
英文标题：On the performance of Zenoh in Industrial IoT Scenarios
作者信息
Miguel Barón, Luis Diez, Mihail Zverev, José R. Juárez, Ramón Agüero
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Miguel Barón：Ikerlan技术研究中心，西班牙；坎塔布里亚大学，西班牙
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Luis Diez：坎塔布里亚大学通信工程系，西班牙
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Mihail Zverev：Ikerlan技术研究中心，西班牙
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José R. Juárez：Ikerlan技术研究中心，西班牙
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Ramón Agüero：坎塔布里亚大学通信工程系，西班牙
论文出处
期刊：Ad Hoc Networks
卷号：170
文章编号：103784
出版日期：2025年2月3日
DOI：10.1016/j.adhoc.2025.103784
版权所有：© 2025 Elsevier B.V.
摘要
本文对Eclipse Zenoh在工业物联网（IIoT）场景中的性能进行了全面分析。研究使用基于树莓派设备的真实测试平台，将其性能与广泛使用的MQTT协议进行对比。研究评估了Zenoh在不同网络拓扑结构下的延迟、可靠性和拥塞控制机制，分别使用TCP和UDP传输协议。结果表明，Zenoh在某些特定场景中具有显著优势，使其成为IIoT应用的有力选择。此外，本文还深入探讨了Zenoh的底层原理及其通信能力，将其定位为现代工业环境中灵活且高效的解决方案。
1. 引言
在工业4.0时代，制造业和工业流程经历了深刻变革，强调了连接性、数据交换和自动化的重要性。IIoT通过实现机器之间的互联，支持实时数据共享和决策。在此背景下，Eclipse Zenoh作为一种新兴的应用层协议，因其在机器人和汽车领域的多功能性而受到关注。Zenoh支持无线网络上的机器人到万物（R2X）通信，并成为ROS 2中首个非DDS协议，解决了互操作性问题。此外，Zenoh还被ITU认为是适合V2X通信的协议。然而，关于Zenoh如何利用底层通信协议的信息仍然有限，这可能限制其在某些场景中的应用。本文通过实验研究Zenoh在不同网络拓扑下的性能，包括与MQTT的对比分析。
2. 背景
近年来，IIoT领域中的应用层协议研究迅速增长。MQTT作为一种轻量级协议，因其低功耗和高效设计而被广泛采用。它采用发布/订阅（Pub/Sub）模型，并提供三种服务质量（QoS）级别以确保消息可靠传输。Eclipse Zenoh则是一种新兴协议，支持实时数据传输和数据管理，采用Pub/Sub/Query模式，提供比传统解决方案更灵活的通信方式。Zenoh可以运行在多种传输层协议上，包括TCP、UDP和QUIC，并支持多种网络拓扑结构。
3. Zenoh详解
Eclipse Zenoh通过多种机制实现高效和可靠的通信。其核心组件包括：
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多播侦察（Multicast Scouting）：通过UDP多播消息实现节点发现，支持动态环境中的设备快速集成。
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流言侦察（Gossip Scouting）：在P2P场景中，通过应用层流言传播节点信息，适用于多播不可用的情况。
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端口管理：根据节点角色（客户端、对等节点、路由器）和拓扑结构（P2P、Brokered、Routed），Zenoh灵活管理端口的开启和使用。
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Zenoh会话（Zenoh Session）：通过一系列控制帧（如InitSyn、InitAck、OpenSyn、OpenAck）建立通信会话，并支持数据传输、订阅、查询等功能。
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可靠性和拥塞控制机制：Zenoh提供多种可靠性策略（如逐跳可靠性、端到端可靠性等），并通过生产者和消费者之间的协商机制管理数据传输的可靠性和拥塞控制。
4. 性能评估
本文通过实验比较了Eclipse Zenoh和MQTT在不同网络拓扑（P2P、Brokered、Routed）和可靠性配置下的延迟性能。实验使用树莓派设备搭建测试平台，通过无线和有线连接进行通信。实验结果表明：
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延迟性能：Zenoh在大多数情况下优于MQTT，尤其是在分布式（Routed）架构中。即使在集中式（Brokered）场景中，Zenoh也表现出较低的延迟。
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可靠性与拥塞控制：Zenoh在TCP和UDP传输下的表现有所不同。在TCP上，Zenoh的可靠性机制（如BLOCK和DROP）对数据传输的影响较小；而在UDP上，由于缺乏拥塞控制，Zenoh的丢包率较高。此外，Zenoh在高流量条件下的RTT表现也受到可靠性配置的影响。
5. 相关工作
尽管Eclipse Zenoh相对较新，但已有研究对其性能进行了初步探索。例如，Liang等人比较了Zenoh与MQTT、DDS等协议的性能，发现Zenoh在延迟和吞吐量方面具有优势。此外，Shih等人研究了Zenoh在边缘设备网络中的表现，而Zhang等人则在ROS 2系统中评估了Zenoh的性能。本文通过扩展这些研究，进一步探讨了Zenoh在多路由器环境中的性能，以及其在移动性场景下的延迟影响。
6. 结论
本文对Eclipse Zenoh的网络级操作进行了深入分析，并通过与MQTT的对比，展示了其在不同网络拓扑下的性能优势。Zenoh的灵活架构使其能够适应多种协议栈层和通信拓扑结构，成为IIoT领域的理想选择。未来的研究将探索Zenoh在更大规模和更复杂网络环境中的表现，以及其与其他新兴技术（如5G和非地面网络）的集成。此外，还将研究Zenoh在实际机器人和汽车应用中的表现，以及与其他应用层协议（如DDS和CoAP）的性能比较。