MQTT代理优化：轮询（Round Robin）与最小响应时间（Least Response Time）算法的比较分析

论文标题：MQTT Broker Optimization: Comparative Analysis of Round Robin and Least Response Time

中文标题：MQTT代理优化：轮询（Round Robin）与最小响应时间（Least Response Time）算法的比较分析

作者信息：

• Samsul Arifin，Institut Teknologi dan Bisnis Asia Malang，印度尼西亚
• Alfian Wahyu Nugraha，Institut Teknologi dan Bisnis Asia Malang，印度尼西亚
• Fransiska Sisilia Mukti，Institut Teknologi dan Bisnis Asia Malang，印度尼西亚
• Sunu Jatmika，Institut Teknologi dan Bisnis Asia Malang，印度尼西亚

论文出处：Jurnal Nasional Teknik Elektro - VOL13NO.3 (NOVEMBER 2024)，ISSN (Print) 2302-2949 | ISSN (Online) 2407-7267，DOI: https://doi.org/10.25077/jnte.v13n3.1260.2024

主要内容：

摘要： 本研究比较了轮询（Round Robin, RR）和最小响应时间（Least Response Time, LRT）算法，以评估它们在不同服务质量（QoS）水平和客户端负载下的性能。使用Apache JMeter评估了CPU使用率、吞吐量、延迟、抖动和响应时间等关键指标。研究发现，在高客户端负载和要求最小延迟的应用中，LRT在提高响应时间和减少延迟方面表现优异，但这以高负载下更高的CPU使用率为代价。相比之下，RR在保持平衡的CPU利用和可预测性能方面表现最佳，尽管响应时间略高。两种算法都显示出线性可扩展性，证实了它们能够处理不断增加的工作负载而不出现瓶颈。这些发现为物联网（IoT）开发者提供了实际指导：在工业自动化等对延迟敏感的环境中，LRT因其低延迟优势而更受青睐；而在环境监测等资源受限的IoT系统中，RR因其稳定性和均匀负载分配而更合适。

引言： 物联网（IoT）作为一种变革性技术范式，使智能设备能够无缝通信并在不同环境中执行自动化任务。MQTT因其轻量级的消息架构而成为IoT部署中的流行选择。MQTT采用异步发布-订阅模型，确保了可扩展、高效和非阻塞的通信。MQTT代理是MQTT协议的核心，负责接收、存储和分发消息。然而，代理性能至关重要，任何退化都可能导致整个IoT系统受到干扰。负载均衡在分布多个代理或服务器之间的流量中至关重要，确保了最佳的计算资源利用和系统稳定性。

方法： 本研究采用实验设计来评估RR和LRT算法在基于MQTT的通信系统中的应用性能。系统架构包括Apache JMeter客户端、NGINX负载均衡器和多个Mosquitto代理。实验涉及系统设计、实现、测试和数据分析，以提供对每种算法在现实部署中的适用性的见解。

结果与讨论：

• CPU使用率分析：LRT在客户端负载和QoS水平增加时CPU消耗更高，而RR保持更稳定的CPU使用。
• 吞吐量分析：两种算法在所有QoS水平和客户端配置下显示出一致且线性的增加消息处理能力。
• 延迟分析：两种算法在不同QoS水平和客户端负载下的延迟趋势相似，随着客户端数量的增加，延迟减少。
• 抖动分析：两种算法在不同QoS水平和客户端负载下的抖动趋势相似，随着客户端数量的增加，抖动减少。
• 响应时间分析：LRT在处理客户端请求方面的效率更高，尤其是在客户端负载较大时。

结论： 本研究比较了RR和LRT算法在优化MQTT代理性能方面的效果。LRT在提高响应时间和减少延迟方面表现更好，尤其是在高客户端负载和QoS水平下，但CPU使用率更高。RR在保持平衡的CPU使用和可预测性能方面表现更好，但在高负载下响应时间略高。两种算法都显示出线性可扩展性，证实了它们能够处理不断增加的工作负载。LRT更适合实时应用，而RR更适合资源受限的环境。未来的研究可以探索结合RR和LRT优势的混合算法，以进一步优化基于MQTT的系统性能。