從智能家居到工業互聯網，從車聯網到城市級感知網絡， 物聯網正讓萬物“對話”重塑生活。每天有數億台設備和應用程序正在通過物聯網系統發送和接收數據。面對海量設備及其產生的高速數據流，如何做好以 MQTT 為代表的物聯網協議性能測試顯得尤為重要。今天，我們來聊聊科學開展大規模 MQTT 性能測試的實踐與方法。
01 MQTT 的工作原理
MQTT 是一種基於 TCP/IP 協議的即時通訊協議，採用發佈-訂閲模式。發佈者發送消息，訂閲者接收他們感興趣的消息，代理服務器則負責將消息從發佈者傳遞給訂閲者。發佈者和訂閲者都是 MQTT 客户端，它們只能與 MQTT 代理服務器通信。
圖：物聯網傳感器的 MQTT 發佈和訂閲模型
MQTT 發佈/訂閲模式的特點
區別於傳統的客户端-服務器模式，使用 MQTT 協議來傳輸數據，只需要建立一次TCP連接，然後就可以通過 MQTT 協議來傳輸數據，不需要每次都重新建立連接和發送頭部信息，因此可以大大減少網絡帶寬的佔用和連接的不穩定性。同時，MQTT 協議支持不同的QoS等級，可以確保數據的可靠傳輸，即使網絡連接不穩定，也可以保證數據不會丟失。
02 MQTT 性能測試的重要性
大多數性能測試工具都是為HTTP API和傳統Web流量設計的，而MQTT作為一種有狀態、事件驅動的協議，其行為則有所不同：
- 必須跨數千個客户端處理持久連接
- 基於主題的消息分發增加了架構的複雜性
- 服務質量等級、保留消息和遺囑消息引入了影響性能的變量
因此，大規模測試 MQTT 系統不僅僅關乎穩健性，還關乎可靠性、成本效益，以及避免在高風險環境中出現生產故障，忽視 MQTT 性能測試也可能導致企業過度配置基礎設施。
03 常見的 MQTT 協議測試場景
i 併發連接上限
在高併發場景下，MQTT 的長連接機制需要佔用並消耗 MQTT Broker 的一定資源，需要通過性能測試，驗證現網環境在有限資源下能夠承受的連接上限。
ii 消息吞吐量測試
測試在不同發佈/訂閲模式下（扇入/扇出場景）消息傳輸的性能，從而展示 QoS 級別和有效負載大小等因素對生產環境系統性能的實際影響
iii MQTT Broker 選型測試
物聯網行業存在諸多的Broker，如Mosquitto、EMQX、HiveMQ等等，通過選型測試，可以幫助企業全面評估技術支持能力
04 如何開展規模化的 MQTT 性能測試？
測試方法
測試一：連接數上限測試
- 目標：探測 Broker 集羣的最大穩定連接數
- 方法：逐步增加模擬設備連接數，直至無法建立新連接或大量已有連接異常斷開
- 壓測參數：根據業務需求模擬用户數，摸高模式，爬坡時間2分鐘
- 指標要求：連接成功率 ≥ 99.9%，連接建立後保持穩定，無異常斷開
測試二：消息吞吐量測試
- 目標：測量不同 QoS 模式下的消息吞吐量和延遲
- 方法：分別配置QoS 0、QoS 1、QoS 2 三種模式，使用有效載荷大小為 1KB 的消息進行一對一通信，逐步提高消息發佈速率來增加工作負載，並在每種工作負載下運行 5 分鐘
- 壓測參數：梯度增壓模式，起始百分比20%，單次增幅10%
- 指標要求：請求失敗率<=0.1%, CPU負載低於80%，上下行帶寬不超過網絡帶寬的80%
測試三：峯值流量穩定性測試
- 目標：測量業務峯值（如智慧城市交通早晚高峯、智能家居規律性交互等）場景的系統穩定性
- 方法：分別驗證QoS 0、QoS 1、QoS 2 三種模式，通過浪涌壓力模型，模擬真實業務場景瞬時峯值TPS
- 壓測參數 ：浪涌模式，起始百分比10%，起始保壓時長30秒，峯值百分比100%，峯值保壓時長60秒
- 指標要求：CPU負載低於80%，上下行帶寬不超過網絡帶寬的80%
MQTT 性能測試關鍵指標
| 監控指標 | 描述 | 預期趨勢與説明 |
|---|---|---|
| 實際連接數 | 成功建立並保持的MQTT連接數 | 目標是在儘可能高的數值上穩定保持 |
| 連接成功率 | 成功連接數 / 嘗試連接數 | 接近100%為佳，下降則預示達到瓶頸 |
| 平均連接時間 | 完成TCP+MQTT握手的時間 | 會隨連接數增加而上升，急劇上升預示瓶頸 |
| CPU使用率 | Broker進程的CPU佔用 | 初期隨連接數線性增長，後期因系統調度開銷可能非線性飆升 |
| 內存使用率 | Broker進程的內存佔用 | 核心指標，通常與連接數成 線性正相關 ，每個連接都有固定內存開銷，這是最常見的瓶頸 |
| 網絡連接數 | 操作系統層面的網絡連接數（netstat, ss） | 應與MQTT連接數一致 |
| 網絡帶寬 | 網絡接口的流入/流出流量 | 流量很小，主要由心跳包維持，但總量不可忽視（e.g., 100萬連接 * 微小心跳包） |
| 系統文件描述符 | Broker進程和系統使用的FD數 | 必須確保系統級和進程級的FD限制遠大於目標連接數 |
05 測試工具
這裏介紹幾款常用的可用於 MQTT 協議性能測試的工具
JMeter
使用 JMeter 需要安裝一個 MQTT JMeter 插件，優點是開源免費，缺點是有一定門檻和學習成本，需要自行搭建測試環境。
XMeter Cloud
該工具是 EMQ 基於 JMeter 提供的 MQTT 性能測試雲服務。礎版用於快速體驗 XMeter Cloud 測試服務。該版本支持最高 1000 連接以及最高 1000/秒消息吞吐，適用於小規模公網 MQTT 測試。專業版提供了企業級的性能測試支持，不限連接數和消息吞吐，適用於大規模的物聯網測試場景。
優測全鏈路壓力測試工具
優測全鏈路壓力測試平台針對 MQTT 協議深度定製，該工具適合企業級、大規模測試，支持千萬級併發能力，無需另行搭Prometheus等監控棧，優測平台採集壓力機與被測集羣的CPU、內存、網絡等系統負載數據，並與壓測指標時間對齊，一個平台完成壓測與觀測。
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