CN115314569B - 一种基于udp的轻量级mqtt设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于UDP的轻量级MQTT设计方法，包括：首先，本发明需要实现可靠传输的UDP协议作为传输层。利用组播组管理模块配合IPv6协议的方式实现网络层，并利用MLD和ESMRF对组播组进行管理。其次，分别实现四个模块并构成网络层和数据链路层之间的中间层，实现可以进行组播寻址和单播寻址的寻址模块，利用传输原语组成传输模块。最后，通过在数据包传输之前保留数据包缓冲区和检查冗余来抑制冗余数据包传输。本发明大大提高降低多跳节点之间的传播时延，降低了网络资源开销。

Description

一种基于UDP的轻量级MQTT设计方法
技术领域
本发明提出一种基于UDP的轻量级MQTT设计方法。该发明是专门为物联网设计的开放、轻量级的发布/订阅协议，建立在可靠的UDP传输和无线组播的基础上，以较少的流量开销实现了较低的端到端延迟。
背景技术
MQTT协议是通过发布/订阅的方式实现的远距离低功耗传输协议。发布方与订阅方基于相同的主题，通过一个代理服务器进行解藕，当发布方发布一条与主题关联的消息，该消息会通过代理服务器转发给订阅该主题的所有订阅方。传统MQTT建立在TCP协议上实现可靠传输。
现有的MQTT协议设计具有简单、轻量、开放、易实现的优点，但存在冗余传输，带来不必要开销的问题。以一个由单个BLE节点和多个802.15.4节点组成的发布订阅模型(如图1)为例，在此案例中，BLE节点发布一条消息，该消息被多个远程802.15.4订阅者节点订阅。使用传统MQTT协议，BLE节点首先将消息传递给BLE网关，经由后者使用TCP连接将消息转发到MQTT代理服务器中，该服务器通常位于云中。MQTT代理将数据包转发给订阅该消息主题的若干个802.15.4节点，通常有多少个订阅者就需要发送几次。从上案例中，可看出传统MQTT协议设计中存在的冗余，即有n个订阅者，那么就会有n条相同的信息在链路上传输。此外，基于TCP的设计也给传输带来了开销，TCP是面向连接的协议，数据传输前后需要建立连接和释放连接，这造成了额外的网络开销。这促使我们设计了一种新版本的MQTT协议，简称TinyMQTT，以提高传统方法的效率。
发明内容
本发明要克服传统技术的传输冗余的缺点，提供一种更高效更低传输时延的一种基于UDP的轻量级MQTT设计方法。
TinyMQTT从两个方面优化了原有MQTT的性能：第一，改进传输层算法，采用可靠UDP传输协议替代TCP，减少端到端时延；第二，利用无线通信的组播、广播特性减少数据包的冗余传输，具体地，通过在数据包传输之前保留数据包缓冲区和检查冗余来抑制冗余数据包传输。其次，利用无线通信的广播特性来进一步减少分组传输的数量。
本发明的一种基于UDP的轻量级MQTT设计方法所采取的技术方案包括以下步骤：
(1)构建传输层协议。TinyMQTT数据包在网关发送前需要由UDP协议进行封装，开发人员首先需要实现其传输层的可靠的UDP服务用于其可靠传输并且保证其QoS和消息预留服务的实现。可靠UDP实现包括以下几个方面：
分组序列号，即数据包序列号，UDP数据包在被网络层协议封装前会被拆分成多个分组，在UDP协议的内容部分预留首部的一定字段记录该UDP分组的编号，接收端可以通过检验接收到的UDP分组的编号是否连续来确定接收到全部数据。
分组缓冲区，即接收端和发送方都需要在内存中分配一定大小的空间对发送/接收对分组进行缓存，接收方会在这个缓存中根据1.1中的分组序列号进行排序，以便于获知丢失的分组，并向发送方再次请求丢失的分组以确保接收全部数据。当接收方拿到完整的数据后会将所有分组重新拼接成原数据从缓存区转存至内存。
确认机制，接收方对于接收到的分组会向发送方发送带有分组序号的ACK数据包表示成功接收，发送方接收到该ACK信息则可以将相应序列号的分组从数据缓存区中删除。
超时重传，接收方会在每发送一个分组之后都会开启对应该分组的一个计时器，当达到时间限额后仍然没有收到ACK信息，则对超时的数据包进行重新发送操作，并重置计时器。
(2)构建网络层协议。封装TinyMQTT数据包的UDP数据包在发送前会被网络层组播组管理模块进行分组、分配下一跳地址，由IPv6协议封装进数据包中。其中组播组管理包括两个协议：MLD和ESMRF。MLD用来管理分组成员，ESMRF协议用来确定分组下一跳路径。包括以下多个方面：
MLD，即多播侦听器发现协议，是IPv6上的多播组管理协议，负责管理组播。选择MDL来管理订阅该MQTT主题关联的组成员，当客户端从代理订阅主题时，MLD将客户端添加到与主题关联的组中。
ESMRF，即增强的无状态多播RPL转发协议，是一种基于RPL的组播转发协议。对于需要进行多播的主题关联分组，在每个节点(例如图1(b)中的节点B)中添加一个组地址列表。当子节点加入组地址时，将在列表中创建该条目。然后，ESMRF基于该列表确定下一跳的目的地。
RPL，即远程低功耗协议，是一种用于低功耗和有损网络(LLN)的标准协议。
(3)构建中间层协议。中间层获得来自网络层的数据包之后，会利用寻址模块进行寻址，寻址模块主要提供两种寻址功能：组播寻址和单播寻址。然后利用分组中继模块地分配用于接收/转发分组的接收/发送时隙。为了兼容数据链路层的多种异构无线电网络，实现了两种数据包中继方式：基于LPL的分组中继、基于信道跳变的分组中继。分组传输模块利用传输原语进行传输。传输模块将分组传递给分组队列模块执行缓存管理和分组调度。它提供三个分组调度机制：FIFO、基于优先级的分组调度和多无线电分组调度。中间层具体细节包括以下几个方面：
组播寻址，节点向组播组内地址的主机一对多的发送ARP或RIP协议，请求目的主机路径的下一跳地址或者获取附近主机的路由表信息进而在其中扫描是否有目的主机地址，如果存在目的主机，则把目的主机的下一跳地址变为获取该路由表的主机地址。
单播寻址，节点向特定地址的主机一对一的发送地址请求信息。
基于LPL(低功率侦听)的分组中继，中继节点可以通过周期性地执行CCA并在检测到高能量水平时接收分组来从下游节点接收分组。中继节点可以接收后续分组或立即转发该分组，这取决于哪个事件首先出现。此实现适用于构建于802.15.4和Lora上的LPL MAC协议。
基于信道跳变的分组中继，为了让中继节点接收来自下游节点的分组，有必要分配接收时隙并同步发送/接收，因为数据链路层的MAC协议都使用信道跳变。在下游节点执行信道扫描并且中继节点执行通告的汇聚点期间分配接收时隙。下游节点可以请求一个或多个传输时隙，中继节点协调分配并向下游节点确认最终决定。
(4)构建数据包缓冲区。以上三步重新实现了TinyMQTT网关的协议栈，完成之后，实现网关的数据缓冲区对冗余数据包进行检查。如图1(b)，由于订阅者有D、E两个用户，MQTT代理服务器会将两个相同的数据包发送给TinyMQTT网关，数据缓冲区会将数据包存储起来，当检查到相同的数据包后会进行丢弃以减少数据冗余传输。
优选地，步骤(2)中MLD将客户端添加到与主题关联的组中使用API MLD6_JoinGroup。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过构建新的模块重新组建MQTT协议，利用数据缓存以及冗余检查机制，基于可靠UDP传输，并在节点中使用组播减少数据包传播的数量。大大提高降低多跳节点之间的传播时延，降低了网络资源开销。
附图说明
图1展示了本发明方法与原有MQTT方法数据发送流程的对比其中，图1(a)是传统MQTT方法下数据发送传输流程图，图1(b)是TinyMQTT方法下数据发送传输流程图。
图2是本发明方法协议栈的体系结构图。
图3展示用于实验的四种物联网节点，其中，图3(a)是802.15.4节点，图3(b)是低功耗蓝牙节点(BLE节点)，图3(c)是远距离无线电节点(LoRa节点)，图3(d)是TinyMQTT网关。
图4是由异构物联网节点组成的室内和室外混合试验台的示意图。
图5是展示具有不同数量BLE节点用户的不同MQTT方法的延迟对比的柱状图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供一种基于可靠传输UDP的轻量级MQTT设计方法，包括(1)构建传输层协议；(2)构建网络层协议；(3)构建中间层协议；(4)构建数据包缓冲区。
如图1，发布方A节点通过代理服务器向两个订阅节点发布消息的模型中，首先，重新实现MQTT网关的协议栈，并在网关中设置数据包缓冲区和检查冗余来抑制冗余数据包传输；其次，在网关处使用广播进行传输进一步减少分组传输的数量。同时，改进传输层算法，采用可靠UDP传输协议替代TCP，减少端到端时延。具体实施方式如下：
(1)配置物联网节点设备：在运行Linux内核版本4.14的Raspberry Pi 3(RPI)上实现TinyMQTT的通信网络。根据连接到RPI的无线电技术要求，我们配置四种类型的物联网节点用于构建物联网拓扑结构，如图3。
(1.1)配置802.15.4节点：它由连接到Ti SM14Z2538板的RPI组成(配备802.15.4无线电)，如图3(a)。
(1.2)配置BLE节点：它由与Ti CC2560 SimpleLink板(配有BLE无线电)连接的RPI组成，如图3(b)。
(1.3)配置Lora节点：它由与Dragino Lora防护罩(配备Lora无线电)连接的RPI组成，如图3(c)。
(1.4)配置网关节点：它由与所有三种类型的无线电连接的RPI组成，使用TinyMQTT协议栈作为物联网通讯协议，如图3(d)。
(2)布置物联网室内和室外混合试验台：要使用室内和室外混合试验台进行评估，如图4。将网关节点部署在位于大楼三楼的实验室中。六个Lora节点部署在建筑物屋顶500米乘1500米的室外区域。六块和六块802.15.4节点部署在室内。物联网节点的发射功率可以配置成不同的拓扑结构。不同的Iot节点使用不同的协议相互通信，例如UDP、TCP、MQTT。在没有另外指定的情况下，数据传输频率是每5秒一个分组，用户有效载荷长度为50字节。
(3)检验物联网通信延迟：分别使用四种组合的MQTT方法进行通信实验。实验开始时，每个BLE节点宣布其对该主题的订阅，然后发布者在半小时内定期发布该主题。使用放置在网关附近的笔记本电脑来生成WiFi流量，以便与BLE传输接口连接。在笔记本电脑上，使用iPerf3生成具有不同比特率的数据流量。每个实验重复5次。测量最后一个节点获得发布消息时的延迟。
MQTT-Naive：在此方法中，802.15.4节点使用MQTT协议通过与MQTT代理驻留的云建立TCP连接来与代理通信。云与六个BLE节点建立另一个TCP连接。这个BLE网关使用TCP上的MQTT将消息逐个传输到BLE节点。
MQTT-Sn：MQTT-Sn通过在互联网中放置一个MQTT-SN网关来优化性能。虽然MQTT-Sn和云之间的通信仍然通过TCP，但MQTT-Sn和多个网关之间的通信已更改为UDP。
TinyMQTT：利用无线通信的广播特性，我们通过提供可靠的UDP、冗余抑制和无线多播来进一步优化MQTT的性能。
TinyMQTT可以与MQTT-Sn结合使用，这种混合方法有望实现最佳性能。
(4)分析实验结果：如图5显示，可以看到：混合方法(TinyMQTT+MQTT-Sn)实现了最好的性能，与本地方法相比，延迟减少了11％～53％。随着用户数量的增加，延迟减少变得更大，因为从网关到六个用户的多播或广播比单播有效得多。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种基于UDP的轻量级MQTT设计方法，包括以下步骤：
(1)构建传输层协议；TinyMQTT数据包在网关发送前需要由UDP协议进行封装，开发人员首先需要实现其传输层的可靠的UDP服务用于其可靠传输并且保证其QoS和消息预留服务的实现；可靠UDP实现包括以下几个方面：
分组序列号，即数据包序列号，UDP数据包在被网络层协议封装前会被拆分成多个分组，在UDP协议的内容部分预留首部的一定字段记录该UDP分组的编号，接收端可以通过检验接收到的UDP分组的编号是否连续来确定接收到全部数据；
分组缓冲区，即接收端和发送方都需要在内存中分配一定大小的空间对发送/接收分组进行缓存，接收方会在这个缓存中根据分组序列号进行排序，以便于获知丢失的分组，并向发送方再次请求丢失的分组以确保接收全部数据；当接收方拿到完整的数据后会将所有分组重新拼接成原数据从缓存区转存至内存；
确认机制，接收方对于接收到的分组会向发送方发送带有分组序号的ACK数据包表示成功接收，发送方接收到该ACK信息则可以将相应序列号的分组从数据缓存区中删除；
超时重传，接收方会在每发送一个分组之后都会开启对应该分组的一个计时器，当达到时间限额后仍然没有收到ACK信息，则对超时的数据包进行重新发送操作，并重置计时器；
(2)构建网络层协议；封装TinyMQTT数据包的UDP数据包在发送前会被网络层组播组管理模块进行分组、分配下一跳地址，由IPv6协议封装进数据包中；其中组播组管理包括两个协议：MLD和ESMRF；MLD用来管理分组成员，ESMRF协议用来确定分组下一跳路径；包括以下多个方面：
MLD，即多播侦听器发现协议，是IPv6上的多播组管理协议，负责管理组播；选择MDL来管理订阅该MQTT主题关联的组成员，当客户端从代理订阅主题时，MLD将客户端添加到与主题关联的组中；
ESMRF，即增强的无状态多播RPL转发协议，是一种基于RPL的组播转发协议；对于需要进行多播的主题关联分组，在每个节点中添加一个组地址列表；当子节点加入组地址时，将在列表中创建条目；然后，ESMRF基于该列表确定下一跳的目的地；
RPL，即远程低功耗协议，是一种用于低功耗和有损网络LLN的标准协议；
(3)构建中间层协议；中间层获得来自网络层的数据包之后，会利用寻址模块进行寻址，寻址模块主要提供两种寻址功能：组播寻址和单播寻址；然后利用分组中继模块分配用于接收/转发分组的接收/发送时隙；为了兼容数据链路层的多种异构无线电网络，实现了两种数据包中继方式：基于LPL的分组中继、基于信道跳变的分组中继；分组传输模块利用传输原语进行传输；传输模块将分组传递给分组队列模块执行缓存管理和分组调度；它提供三个分组调度机制：FIFO、基于优先级的分组调度和多无线电分组调度；中间层具体细节包括以下几个方面：
组播寻址，节点向组播组内地址的主机一对多的发送ARP或RIP协议，请求目的主机路径的下一跳地址或者获取附近主机的路由表信息进而在其中扫描是否有目的主机地址，如果存在目的主机，则把目的主机的下一跳地址变为获取该路由表的主机地址；
单播寻址，节点向特定地址的主机一对一的发送地址请求信息；
基于低功率侦听LPL的分组中继，中继节点可以通过周期性地执行CCA并在检测到高能量水平时从下游节点接收分组；中继节点可以接收后续分组或立即转发该分组，这取决于哪个事件首先出现；此实现适用于构建于802.15.4和Lora上的LPL MAC协议；
基于信道跳变的分组中继，为了让中继节点接收来自下游节点的分组，有必要分配接收时隙并同步发送/接收，因为数据链路层的MAC协议都使用信道跳变；在下游节点执行信道扫描并且中继节点执行通告的汇聚点期间分配接收时隙；下游节点可以请求一个或多个传输时隙，中继节点协调分配并向下游节点确认最终决定；
(4)构建数据包缓冲区；重新实现了TinyMQTT网关的协议栈之后，实现网关的数据缓冲区对冗余数据包进行检查；由于订阅者有D、E两个用户，MQTT代理服务器会将两个相同的数据包发送给TinyMQTT网关，数据缓冲区会将数据包存储起来，当检查到相同的数据包后会进行丢弃以减少数据冗余传输。
2.如权利要求1所述的一种基于UDP的轻量级MQTT设计方法，其特征在于：步骤(2)中MLD将客户端添加到与主题关联的组中使用API MLD6_JoinGroup。
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