[發明專利]一種配電物聯網海量消息傳遞的MQTT協議通信方法

在審

• 申請號: 202110457315.9
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113194133A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 田歌星;賈璐瑞;周振宇
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04L12/801;H04L12/833;H04L12/865
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及配電物聯網海量消息傳遞的MQTT協議通信方法，通過設計上下行隔離、實時優先、支持海量數據的隊列網關，將上下行鏈路隔離拆分，上行鏈路發生堆積時，實時消息優先發送，堆積消息進入保序降級隊列，同時堆積消息和實時消息并行發送，不影響下行鏈路業務的正常運行處理。采用多賽道隊列模型，將海量Topic相互隔離，做到一個設備的消息堆積Topic，不影響另一個設備的正常運行。通過TCP通道的多路復用，即一條TCP通道對應若干MQTT客戶端，同一組MQTT客戶端通過同一條TCP通道與MQTT代理服務器建立通信連接，最大限度降低配電物聯網設備對MQTT代理服務器的并發連接數請求，做到MQTT協議與傳輸層的解耦，實現海量Topic的真正隔離，從根本上解決堆積帶來的延時問題。

技術領域

本發明屬于無線通信領域，具體涉及應用在配電物聯網設備中海量消息傳遞的MQTT協議通信方法。

背景技術

隨著配電物聯網業務的增加及大量新型設備的接入，現有的配電物聯網場景，如電力系統設備控制、智能電表、智能插座及電力業務交易等，往往需要傳遞海量消息，在這些信息傳遞的過程中，常采用消息隊列方式，它是在消息傳輸過程中保存消息的“容器”。配電物聯網設備將產生的數據先保存在消息隊列中，并由消息隊列將數據分發至服務器。消息隊列可在因網絡抖動、設備故障導致的消息飆漲等不可控環境中，實現消息的平穩傳輸。在傳統的消息隊列先進先出（First In First Out，FIFO）模式中，數據消費端不直接和數據產生端建立傳輸過程，而是通過向消息隊列這一“容器”拉取所需消息，實現數據產生端和數據消費端間的解耦，從而增強了系統的穩定性。然而傳統消息隊列在使用中仍存在一些問題。例如，在配電物聯網場景中，消息隊列的加入使得系統的可用性降低，一旦消息隊列不可用，整個配電物聯網將面臨癱瘓，嚴重危害配電網的安全穩定運行。

目前配電物聯網領域場景復雜，既有面向自身軟件即服務（Software-as-a-Service，SAAS）業務又要承擔多租戶平臺即服務（Platform-as-a-Service，PAAS）業務，面臨更多的隊列方面問題。一般情況下，配電物聯網消息隊列分為上行隊列和下行隊列。其中，設備上行隊列的每秒查詢率（Query Per Second，QPS）非常高，常用于配電物聯網輸配電狀態實時監測等時延敏感性業務場景，對實時性要求較高，在隊列發生堆積時，和該消息隊列相關的的入口設備都會受到影響。設備下行隊列的QPS不高，常用于配電物聯網精準負荷控制等高可靠性業務場景，這個場景對消息到達率要求很高，同時對設備級別隔離性能要求也很高，不能因為一個設備消息擁塞干擾其它設備業務正常運行。

消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議作為物聯網平臺低開銷、低帶寬占用的輕量級即時通訊協議，它利用極少的代碼和帶寬為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務，適用于硬件性能低下的物聯網設備以及網絡狀況糟糕的環境，因此MQTT協議在資源有限的配電物聯網中有較廣泛的應用。MQTT協議運行在TCP/IP網絡協議上，采用發布/訂閱消息模式進行數據發布方與數據訂閱方之間的通信。其中，發布者連接代理后發布消息，只要訂閱方之前訂閱過相應主題（Topic），那么它連接代理后即可收到發布方在它在線/離線期間發布的消息，以實現即時高效的信息交互。然而MQTT客戶端和MQTT代理服務器只建立一條TCP連接，用于Topic的發布和訂閱，這種基于異步通訊的信息交互，無法實現請求響應的同步通訊，使得傳統MQTT協議越來越無法滿足配電物聯網海量Topic無擁塞傳輸需求。

因此，如何在消息堆積情況下，做到海量消息的實時、可靠信息交互仍面臨一些技術挑戰。具體總結如下。

第一，在傳統FIFO消息隊列中，當同一個隊列有堆積時，實時生成的消息一般會排在隊列末尾，直到堆積的邏輯處理完才能被加載，導致消息被動延時，或者進入了死信消息，必須需要人工運維去清理堆積，才能讓系統恢復可用。

第二，當堆積發生時，需要根據業務場景的優先級決定通信順序，同一個業務場景需要用拆分多個Topic來模擬實現消息優先級，一個Topic的堆積會影響到與之相關的多個設備。