MQTT 3.1协议在弱网络环境下(比如2G/3G等)表现不够好,因此才有了反思。
手机等终端在弱网络环境下丢包情况会非常明显,连接MQTT Server成功率很低。相比单纯的请求-相应模型的HTTP,其成功率会比MQTT订阅成功高很多。
手机终端在每次TCP断开或断网后,会即刻发起TCP重连,连接成功,会重复以前步骤依次发送连接命令(CONNECT),订阅命令(SUBSCRIBLE),表明上看,这些过程没有任何问题,但问题就在于从终端成功建立到服务器的连接,到发送订阅命令,在弱网情况下,这个过程将会变得很昂贵:
从TCP建立开始的三次握手到完整的订阅命令发送完毕,考虑到TCP堆栈的每次接收数据方响应ACK,这中间终端和服务器端至少产生了10次数据交互。
在网络变化频繁或者不太稳定的2G/3G网络环境下,这种过程显得有些冗长和不适应,同时会加重已经不堪的弱网络负载的负担。
弱网下,在任何一个阶段的执行过程中,都有可能产生突发性的网络中断的问题:
无法成功建立TCP链接,或死在三次握手期间,或数据包丢失在握手之后,或客户端连接超时过小
建立连接后,发送CONNECT命令后,或没接收到TCP ACK确认包,或客户端等待延时太小,导致订阅命令交互失败
发送SUBSCRIBLE命令后,但服务器端没收到,或因为丢包,或网络已断开,导致发送SUBSCRIBLE命令失败
成功发送SUBSCRIBLE命令后,或移动网络断开了(有些运营商针对认为HTTP的请求有超时判断),或等待超时,导致订阅失败
TCP是无感知的虚拟连接,中间断开两端不会立刻得到通知,否则就用不着心跳保活机制了。
举一个例子,线上的服务器根据日志分析,只接收到连接命令(CONNECT)但没有后续的订阅命令(SUBSCRIBLE)的情况,每天有上百万级别的数量。
总之,针对低速率弱网络环境,MQTT表现不怎么好。
业务改进点:
协议改进点:
有些建议看似冗余,批量或打包处理总比单个处理更高效一些、更节省资源,弱网络环境要求交互要尽可能的少,数据嘛要的是瞬间抵达,越快越好。
严格的分层和业务解耦,会导致性能问题。好比当前Linux内核的TCP/IP网络堆栈分层很清晰,每一层都各司其职,但和直接略过内核态直接运行在用户态(User Space)的Packet I/O相比,处理性能不是在一个档次上,比如Netmap 、DPDK等。
针对没有TCP/IP等网络堆栈支持的终端环境,MQTT爱莫能助了。
在一些类似于传感器电子元件中,资源十分受限,计算能力不足,嵌入TCP/IP网络堆栈不现实,比较好的方式基于IEEE 802.15.4用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范之上发送UDP数据包,每一个数据包最大128个字节。
MQTT-SN(MQTT For Sensor Networks)协议就是为了非常受限类似传感器而设的,协议流程架构比较有趣:
更多协议细节,有待进一步阅读。
先来算一下网络传输的字节数。
以太网帧头至少18个字节,IP头固定20个字节,TCP头20个字节(UDP头部8个字节),再加上电信宽带计费的PPPoE的8个字节:
UDP可以比TCP节省12个字节。
MQTT-SN协议选择使用UDP,可以看出其在节省资源方面的努力。
再看看弱网环境。
在网络不好的情况下,UDP的时效性会好于TCP,TCP长连接中间交换过多、使之建立完整交互的过程成功率就很低。此种情况UDP的低延迟和实时性呈现的结果会表现的很突出。
TCP或HTTP理论上是可靠连接,但是在网络不好的时候,也不是那么可靠。客户端一般提交HTTP请求之后,没有确认是否提交成功,在弱网环境下会产生丢包,服务器端嘛收不到。另TCP网络堆栈会存在数据包重发机制 + 应用层重发请求,可能会导致内核处理多次数据包的重发(还有拥塞窗口会收缩,发包速度减慢),可能会加重弱网络的负载。
和TCP相比,UDP的无连接,代表了它快速,资源消耗小,突出表现就是延迟较小。至于数据包丢失没有重传,上层的业务层面应用协议/机制可以确保丢失的数据包重发或补发等,并且会更透明,安全的控性权。而TCP的包重发,上层应用没有控制权限。
连接协议方面:
总之,要实时性特诊,或者快速抵达终端的特性,不妨考虑一下UDP。不过呢,很多时候UDP和TCP大家会混合着使用,会互相弥补其不足。
若MQTT协议不能够满足业务需求,或许可考虑选择定制,或简化流程,或使用UDP重新实现,或者使用TCP/HTTP作为补充等,不一而足。
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