基于李雅普诺夫优化理论的MQTT协议消息服务质量研究

发布时间：2020-06-07 03:56

【摘要】：随着移动互联网以及物联网技术的迅速发展,一种基于发布/订阅模型的轻量级、可拓展、适用于弱网络环境下的消息遥测传输(MQTT)协议越来越受到人们的重视。然而,随之而来的终端设备接入量的日益倍增,给服务端带来了巨大的压力。如何能够在不增加服务成本且保证服务稳定的前提下优化消息服务质量(QoS)成为了一个重要的研究内容。针对上述研究背景,本文在以MQTT协议为标准传输协议的物联网采集系统中,以李雅普诺夫优化(Lyapunov Optimization)理论为指导,对MQTT消息队列进行建模以及系统稳定性进行建模,设计了一套在较为恶劣的网络环境中可以保证消息服务质量的自动调节方法,可以在服务成本一定的条件下,根据服务系统的实时状态,动态地反馈调整消息服务质量。本文研究的主要工作如下:(1)通过对消息推送协议现状以及MQTT协议消息服务质量选择问题的研究发展现状进行调研分析,提出了消息队列以及虚拟队列的模型;(2)根据李雅普诺夫稳定性理论对提出的消息队列模型进行稳定性建模,构造出能量函数对系统稳定性进行控制;(3)设计一种动态调整消息服务质量的策略,通过李雅普诺夫漂移加惩罚(drift-pluspenalty)函数得出的结论对消息服务质量进行调整;(4)根据现实环境参数搭建仿真实验环境,基于对比实验验证上述消息服务质量优化调整策略的适用场景和优越性。实验结果表明,当在客户端或是消息代理系统状态不佳以及消息有效载荷较大的情况下,对比传统的MQTT消息服务质量调节策略,本文提出的消息服务质量优化模型在保障系统稳定的前提下,有效的提升了消息服务质量。
【图文】：

框架图,框架,传输协议,计算能力

随着移动互联网以及物联网的迅速发展，人和人、人和物、物和物之间的联系变得越来越密切，，越来越多的终端设备需要接入服务。在更大规模的通信需求下，传统的请求/回答（Request/Response）模型不再适用。再者，终端设备的计算能力和网络状态良莠不齐造成的异构性使得通信变得更加困难。为解决这些问题，一个轻量级、可拓展的基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模型的物联网传输协议 MQTT 应运而生。MQTT 协议针对计算能力低下、网络环境较差的设备做了相关优化，使其能够适用于更多的场景。随着“工业 4.0”时代的到来，MQTT 于 2014 年正式成为推荐的物联网传输协议[1]。除了协议的开发者 IBM 之外，国内外各大 IT 公司推出的物联网平台诸如 Google IoTcore、AmazonAWS IoT、Baidu IoT 等都纷纷支持 MQTT 协议接入。与此同时，各大城市相继提出诸如“智慧公安”、“智慧交通”、“智慧教育”、“智慧医疗”等建设智慧城市的一系列规划，大量的传感器需要通过 MQTT 协议网关进行数据传输[2]。各种设备使用MQTT 协议接入到物联网云服务平台框架如图 1-1 所示：

控制报文,服务端,报头,全双工

图 2-1 MQTT 协议控制报文固定报头前两字节格式目前，四位的 MQTT 控制报文头部指定的 16 种控制报文类型中，有两种是暂时保留，方便日后拓展控制报文类型。剩下的 14 种控制报文如表 2-1 下所示：表 2-1 MQTT 协议控制报文类型表名字值报文流动方向描述CONNECT 1 客户端发往服务端客户端发起连接服务端请求CONNACK 2 服务端发往客户端服务端发起连接报文确认PUBLISH 3 全双工发布消息PUBACK 4 全双工 QoS 1 消息发布收到确认PUBREC 5 全双工 QoS 2 发布收到（保证交付第一步）PUBREL 6 全双工 QoS 2 发布释放（保证交付第二步）PUBCOMP 7 全双工 QoS 2 消息发布完成（保证交互第三步）SUBSCRIBE 8 客户端发往服务端客户端订阅请求SUBACK 9 服务端发往客户端服务端订阅请求报文确认
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.44;TN929.5

【参考文献】