物联网轻量级发布/订阅系统的性能与可靠性研究

摘要

在物联网环境中，设备个体往往具有较低的处理能力、网络带宽和稳定性，部分设备采用电池供电，对系统的能耗也有一定的要求，这使得物联网对消息传输具有更高的性能要求和可靠性要求。发布/订阅模型因其良好的松耦合性成为物联网的通信模型。MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)因其简洁、低开销、高可靠的特性成为应用广泛的发布/订阅协议。 本文首先对MQTT协议进行深入分析，针对其中不足，提出一种改进方案，然后结合发布/订阅系统特点，提出一种代理分配的架构，最后对代理负载进行度量，提出代理分配算法。本文完成的主要工作如下： 1）分析MQTT协议retain消息存储分发机制的不足，针对订阅者对retain消息的漏收及重复接收问题，提出了改进的retain消息处理机制。优化retain消息存储结构，修改协议的部分报文及相应的服务端和客户端的处理机制，使得订阅者在订阅后能收到其断连期间漏收的所有retain消息，且不再重复接收最新的retain消息。之后对改进的retain消息处理机制进行实验测试和分析，结果显示改进的机制很好地解决了retain消息的漏收及重复接收问题。 2）分析发布/订阅系统架构模型，提出了一种基于集中分配的发布/订阅架构模型。该模型动态地为客户端分配代理服务器，将同一主题下的发布者和订阅者集中分配到相同或邻近的代理服务器，使消息在代理之间的路由消耗最低。同时，给出了模型对于节点过载和节点失效的解决方案，保证了系统的稳定性。之后通过实验测试，对比了该模型与随机选择模型进行代理分配后系统的性能，发现在相同情况下采用该模型进行代理分配具有更低的消息传输时延。 3）分析发布/订阅系统的特性，提出基于历史负载的代理动态分配算法。分析了影响代理负载的因素并对其进行量化，得到代理负载评估模型，并结合发布/订阅系统特点，考虑历史负载对代理节点的影响，使得代理的分配更加明确、有效。之后通过实验测试对比了随机分配、不考虑历史负载分配、基于历史负载分配三种情况下系统的性能，结果显示基于历史负载的代理动态分配算法能更好地降低消息传输时延，提高系统整体性能。 4）将上述的改进方案应用到实际物联网项目中，测试改进方案的实际可用性，结果显示改进方案是可行的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 发布/订阅系统

1.2.2 MQTT协议

1.3 研究内容

1.4 论文结构组织

第2章 相关技术对比分析

2.1 发布/订阅系统的分类及对比分析

2.2 发布/订阅系统架构分析

2.3 MQTT协议分析

2.3.1 消息分发机制

2.3.2 存在的不足

2.4 本章小结

第3章 改进的retain消息处理机制

3.1 改进的消息存储模型

3.2 改进的控制报文

3.2.1 改进的SUBSCRIBE报文

3.2.2 改进的PUBLISH报文

3.2.3 改进的UNSUBSCRIBE报文

3.3 改进的服务端处理机制

3.3.1 PUBLISH报文的处理

3.3.2 SUBSCRIBE报文的处理

3.3.3 UNSUBSCRIBE报文的处理

3.4 改进的客户端处理机制

3.5 测试及结果分析

3.5.1 测试环境

3.5.2 测试结果分析

3.6 本章小结

第4章 基于历史负载的代理动态分配方案

4.1 基于集中分配的发布/订阅架构模型

4.1.1 总体设计

4.1.2 节点过载解决方案

4.1.3 节点失效解决方案

4.2 影响代理负载的因素

4.2.1 影响因素分析

4.2.2 影响因素的量化

4.3 基于历史负载的代理动态分配算法

4.3.1 问题描述

4.3.2 前提假设

4.3.3 算法设计

4.3.4 算法中常量的确定

4.4 测试及结果分析

4.4.1 基于集中分配的发布/订阅架构模型性能测试

4.4.2 代理分配方案对比测试

4.5 本章小结

第5章 改进方案的应用与测试

5.1 总体设计

5.1.1 总体架构

5.1.2 软/硬件环境

5.2 MQTT模块设计

5.2.1 消息主题设计

5.2.2 消息格式设计

5.3 设备配置模块设计

5.4 测试及结果分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参与科研项目