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電子工程網(wǎng)

標(biāo)題: 千萬級車聯(lián)網(wǎng) MQTT 消息平臺架構(gòu)設(shè)計 [打印本頁]

作者: 洞察基 時間: 2022-7-22 15:18
標(biāo)題: 千萬級車聯(lián)網(wǎng) MQTT 消息平臺架構(gòu)設(shè)計
前言

隨著整個汽車出行領(lǐng)域新四化（電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化）的推進，各個汽車制造廠商正逐步構(gòu)建以智能駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)為核心的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。新一代的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對于底層消息采集、傳輸和處理的平臺架構(gòu)提出了更高的要求。

本系列專題的上篇文章《車聯(lián)網(wǎng)場景中的 MQTT 協(xié)議》中我們已經(jīng)提到，MQTT 協(xié)議是目前最適合車聯(lián)網(wǎng)場景數(shù)據(jù)平臺搭建的通信協(xié)議。基于此，本文中我們將繼續(xù)討論車聯(lián)網(wǎng)場景中的 MQTT 消息采集與傳遞，以及如何構(gòu)建一個千萬級車聯(lián)網(wǎng) MQTT 消息平臺，以期為正在進行車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的企業(yè)用戶提供平臺架構(gòu)設(shè)計參考。

車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)：消息采集與傳遞車聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議的演進

眾所周知，車聯(lián)網(wǎng)（vehicle-to-everything，V2X）是指車與云、車與網(wǎng)、車與車、車與路、車與人、車與傳感設(shè)備等交互，實現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)通信的動態(tài)移動通信系統(tǒng)，是為了滿足與車有關(guān)的每一個環(huán)節(jié)中的效率、安全、管理等元素而建立起的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)。而運行于其中的通信協(xié)議就成為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵和核心。

在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的歷程中，主要有兩種主流的通信技術(shù)，對車聯(lián)網(wǎng)整體發(fā)展起到了推動作用：

DSRC（DeDICated Short Range CommunICation，專用短程通信）：1992 年由美國材料試驗學(xué)會 ASTM 針對 ETC 的業(yè)務(wù)場景研發(fā)而出，后經(jīng)多年完善和迭代，演變?yōu)?IEEE(802.1X) 車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在相當(dāng)長的一段時間里，DSRC 技術(shù)是國際汽車主流生產(chǎn)和消費市場使用的主流車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。

C-V2X（Cellular Vehicle to Everything，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信）：C-V2X 依托現(xiàn)有的蜂窩基站，除了支持 PC5的直連通信，RSU、車輛均可通過 4/5G 信道（采用 Uu 接口）與 V2X 平臺相連，實現(xiàn)車路協(xié)同通信。較之 DSRC，C-V2X 技術(shù)上更優(yōu)，它增強通信的安全性與保密性，支持高網(wǎng)絡(luò)容量，可支持高帶寬和大數(shù)據(jù)量需求。

DSRC 和 C-V2X 技術(shù)的競爭非常激烈，兩者都希望能夠成為主流車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國擁有最完善的 5G 通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，因此更傾向于采用 C-V2X(LTE-V 、5G-V2X)通信技術(shù)，通過 V2X 車路系統(tǒng)+單車智能系統(tǒng)的體系化建設(shè)，實現(xiàn)基于自動駕駛的新一代車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

消息平臺建設(shè)對于車聯(lián)網(wǎng)的意義

在車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)高速發(fā)展的今天，所有的主機廠業(yè)已形成了一個共識: 車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目的不是為了聯(lián)網(wǎng)而聯(lián)網(wǎng)，也不是為了車載娛樂而聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)是為了數(shù)據(jù)。有了車聯(lián)網(wǎng)，就有了數(shù)據(jù)。有了數(shù)據(jù)，輔以完整的數(shù)據(jù)治理和應(yīng)用體系，就有了一切。

而這個業(yè)務(wù)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，也不僅僅限于車端的相關(guān)數(shù)據(jù)。在 V2X 框架中，需要解決車與車（V2V）、車與路（V2R）、車與網(wǎng)（V2I）、車與云（V2C）、車與人（V2H）等的互聯(lián)互通，實現(xiàn)針對車、路、云、網(wǎng)、人的全面數(shù)據(jù)采集和分析�；� 5G 的 C-V2X 協(xié)議和通訊方式，為整個系統(tǒng)的建設(shè)提供基礎(chǔ)能力保障。

從傳統(tǒng)的 OTA 應(yīng)用到智能座艙、高精地圖適配、厘米級定位、車機端長連接、手機端消息采集、車路云圖、車路協(xié)同等眾多新型智能應(yīng)用場景，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對于消息平臺和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的需求已從原始的車云擴展為人-車-路-網(wǎng)-云的整體架構(gòu)建設(shè)，也因此對整個消息平臺的建設(shè)提出了更高的要求。

如何建設(shè)一個海量連接、高并發(fā)吞吐、低時延的消息通信和傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，來保證整個系統(tǒng)的泛在性、便利性、高可用性、可靠性、安全性和高并發(fā)性，就成為了基于自動駕駛和車路協(xié)同場景下新一代車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵所在。

千萬級車聯(lián)網(wǎng)消息平臺架構(gòu)設(shè)計

接下來我們將以 EMQ 的車聯(lián)網(wǎng)消息平臺和數(shù)據(jù)處理整體解決方案為例，介紹如何構(gòu)建一個千萬級的車聯(lián)網(wǎng)消息平臺。

業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)

車機、路測單元和手機端系統(tǒng)安全接入

車端需要涵蓋車機數(shù)據(jù)上報、POI 下發(fā)、推送文件、下發(fā)配置、推送消息、運營關(guān)懷等全新車聯(lián)業(yè)務(wù)，產(chǎn)生的海量消息 Topic 需要更加安全穩(wěn)定的接入與傳輸實現(xiàn)消息訂閱和發(fā)布。路端需要實現(xiàn)路側(cè) RSU 的安全接入，消息采集和傳輸、地圖數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?/font>

大并發(fā)消息傳遞的實時性和可靠性

高精地圖、厘米級定位、車路協(xié)同等應(yīng)用場景均需要解決海量車路圖消息的毫秒級低延時和高可靠的傳輸能力保障，需要消息處理平臺具備高性能、低延時、高可靠支持千萬連接和百萬并發(fā)業(yè)務(wù)場景的能力。

豐富的應(yīng)用場景集成

在以自動駕駛為核心的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，需要使用消息平臺對接各種基于人、路、圖、云相關(guān)的應(yīng)用對接。將車端數(shù)據(jù)通過消息平臺同高精地圖、厘米級定位、車路協(xié)同、手機端連接等應(yīng)用場景進行連接，通過消息平臺保障應(yīng)用的消費供給，并提供高性能、低延時和高可靠的數(shù)據(jù)架構(gòu)。

海量數(shù)據(jù)存儲、處理和分發(fā)

來自于人、車、路、云、圖、網(wǎng)的海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)被采集后，需要針對這些大規(guī)模實時數(shù)據(jù)流的接入、存儲、處理、分發(fā)等環(huán)節(jié)進行全生命周期管理，為應(yīng)用提供針對動態(tài)連續(xù)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)庫支撐，支持應(yīng)用深度使用車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)于消費者，進行商業(yè)決策。

整體解決方案

在方案中我們主要采用 EMQ 旗下的云原生分布式物聯(lián)網(wǎng)接入平臺 - EMQX，實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中車端和人、路端的數(shù)據(jù)連接、移動和處理。EMQX 一體化的分布式 MQTT 消息服務(wù)和強大的 IoT 規(guī)則引擎，可為高可靠、高性能的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)移動、處理和集成提供基礎(chǔ)能力底座，助力企業(yè)快速構(gòu)建關(guān)鍵業(yè)務(wù)的 IoT 平臺與應(yīng)用。

針對車端的消息處理

EMQX 采用 MQTT 協(xié)議接入車聯(lián)系統(tǒng)。車機端通過負(fù)載均衡與 EMQX 分布式集群進行連接，EMQX 的橫向擴展能力可實現(xiàn)千萬級車機連接和百萬并發(fā)響應(yīng)的數(shù)據(jù)通信能力。通過規(guī)則引擎，可一站式實現(xiàn)海量消息橋接消息隊列、持久化入庫、離線消息存儲等能力，同時提供豐富的API 原子能力北向集成。

在安全方面，EMQX 不僅支持 TLS/DTLS 或國密 GMSSL 安全協(xié)議，保障系統(tǒng)可靠與穩(wěn)定；還提供心跳監(jiān)測、遺囑消息、QoS 等級等多重保障機制，通過離線消息存儲實現(xiàn)在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實時、安全、可靠的車機消息通信。

針對人、路端的消息處理

EMQX 為人、路端提供針對手機 APP、RSU 等終端的消息采集和處理平臺�；� 5G 網(wǎng)絡(luò)切片能力，通過個人終端和路側(cè)單元的就近接入，實現(xiàn)超低時延的交通信息服務(wù)。通過 MQTT 等協(xié)議將人端、路側(cè)設(shè)施感知到的路況信息推送到云控平臺，通過云控平臺融合 V2X 算法實現(xiàn)道路協(xié)同感知知、安全提醒、遠(yuǎn)程協(xié)同控制等智能交通場景。

在安全方面，支持國際標(biāo)準(zhǔn)的 TLS/DTLS 加密或國密算法 GMSSL 加密，通過擴展基于 PKI/CA 證書認(rèn)證體系保障人車路信息系協(xié)同的安全通信。

參考架構(gòu)千萬消息接入框架模型

針對新一代車聯(lián)網(wǎng)場景，EMQ 千萬級連接規(guī)模和百萬級并發(fā)的整體消息接入和數(shù)據(jù)處理平臺參考架構(gòu)如下：

業(yè)務(wù)場景：車聯(lián)網(wǎng)體系中的車輛、手機APP 端、路側(cè) RSU 等設(shè)備等通過 MQTT 接入，實現(xiàn)對千萬量級的以上終端的并發(fā)接入能力。
系統(tǒng)架構(gòu)：終端設(shè)備通過 MQTT、HTTP 等協(xié)議接入，經(jīng)過負(fù)載均衡組件連接至分布式消息平臺 EMQ X。通過分布式多集群部署滿足千萬并發(fā)連接需求，按照百萬級消息吞吐能力，通過規(guī)則引擎對接 Kafka 集群實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺、高精地圖服務(wù)、V2X 云控服務(wù)、定位服務(wù)和其他車輛網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用可以直接通過訂閱 Kafka 數(shù)據(jù)進行消費，同時 EMQ 提供了 REST、MQTT 和 MQ 消息隊列三種南向接口服務(wù)實現(xiàn)對車控（遠(yuǎn)程控制）消息的雙向通信。

通過以上參考框架，EMQ 通過 EMQX 云原生分布式物聯(lián)網(wǎng)接入平臺可實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)場景下的千萬連接、百萬并發(fā)吞吐的業(yè)務(wù)需求。

千萬級消息接入測試測試環(huán)境和目的

某車企計劃在車聯(lián)網(wǎng)場景下，基于測試環(huán)境驗證 EMQX 集群的以下能力，為后續(xù)業(yè)務(wù)增長做相應(yīng)的技術(shù)架構(gòu)和能力支撐準(zhǔn)備：

可支撐 1000 萬并發(fā)連接，同時支持每秒 10 萬～15 萬、payload 為 100 字節(jié)的 QoS 0 消息通過規(guī)則引擎橋接到 Kafka；
1000 萬并發(fā)連接訂閱、消費 OTA 廣播主題；
300 萬用戶同時連接不會造成集群雪崩，并測試連接所需時間。

另外，在完成上述所有測試后，繼續(xù)探索在目前配置下 1000 萬并發(fā)的同時可支持的最高消息發(fā)送并橋接轉(zhuǎn)發(fā)至 Kafka 的吞吐量(根據(jù) EMQX 集群資源使用情況提高客戶端消息發(fā)送頻率)，以及測試在 1000 萬連接下滿足 QoS 為 2 且平均響應(yīng)時間在 50 毫秒內(nèi)的最高消息吞吐。

測試準(zhǔn)備

客戶端通過 TLS 加密連接負(fù)載均衡 ELB，然后在 HAProxy 對客戶端進行 TLS 終結(jié)，最后通過 TCP 連接至 EMQX 集群。通過在 HAProxy 上終結(jié) TLS 的方式可以提高 EMQX 集群的支持能力，在這種部署模式下 EMQX 的處理能力和客戶端直接通過 MQTT TCP 連接是完全一致的。另一方面，相比 MQTT TCP 連接，客戶端通過 TLS 連接也需要消耗更多的資源，而本次測試規(guī)模為千萬級，所需的測試機數(shù)量眾多，為了減少所需測試資源的同時不影響對 EMQX集群的測試目標(biāo)，本次測試將直接使用 TCP 連接。

服務(wù)

數(shù)量

版本

實例規(guī)格

CPU

RAM

網(wǎng)卡

端口

負(fù)載均衡云服務(wù)1網(wǎng)絡(luò)型/大型II18083/1883/8081
EMQX 節(jié)點10V4.3.4Centos7.8c6.16xlarge.2普通塊存儲64C128G118083/1883/8081/8883
Kafka 云服務(wù)42.3.0Centos7.8c6.4xlarge.2超高IO塊存儲1632G19092
XMeter 壓力測試控制節(jié)點23.0Centos7.8c6.4xlarge.21632G1443/80/3000/8086內(nèi)網(wǎng)放通
XMeter 壓力測試節(jié)點433.0Centos7.8c6.4xlarge.21632G5內(nèi)網(wǎng)放通測試場景序號場景名稱描述期望結(jié)果
1千萬連接+消息吞吐1000 萬 MQTT TCP 并發(fā)連接，心跳間隔 200s。其中 700 萬為背景連接 (只連接不發(fā)送消息)，300 萬活躍用戶，每個用戶每隔 15S 上報一條 QOS 0 的消息，payload 為 100B。消息通過規(guī)則引擎橋接到 Kafka。先測試 1 小時，通過后進行 24 小時穩(wěn)定性測試內(nèi)網(wǎng)測試成功率為 100%，無消息積壓，CPU 和內(nèi)存在測試期間表現(xiàn)平穩(wěn)，沒有大幅度的抖動。
2消息廣播1000 萬 MQTT TCP 并發(fā)連接，所有連接均訂閱同一個 OTA 廣播主題(QoS 0，payload 為 100B)。模擬一個 MQTT 客戶端每隔 10 分鐘向該主題廣播一條消息，測試 30 分鐘內(nèi)網(wǎng)測試成功率為 100%，所有訂閱客戶端成功消費 3 條消息
3300 萬并發(fā)瞬時連接300 萬 MQTT 客戶端同時發(fā)起連接，測試所有連接完成所需時間300 萬客戶端都成功連接，集群不會雪崩
41000 萬連接下最高消息吞吐探索現(xiàn)有配置及 1000 萬連接且橋接 kafka 下可達到的消息最高吞吐率 (Qos 0，payload 100B/1kB)最高消息吞吐率達到后測試 2 小時，內(nèi)網(wǎng)測試成功率為 100%，無消息積壓，CPU 和內(nèi) 存在測試期間表現(xiàn)平穩(wěn)，沒有大幅度的抖動
5平均響應(yīng)時間下的TPS1000 萬連接下，消息為 QoS2、payload 100B，平均響應(yīng)時間在 50 毫米內(nèi)支持的最高消息 TPS能夠達到不少于 20 萬 TPS 的吞吐能力測試結(jié)果

以下是本次測試的結(jié)果呈現(xiàn)：

序號

場景

平均響應(yīng)時間

EMQX 節(jié)點 CPU 使用率

EMQX 節(jié)點CPU IDLE

EMQX 節(jié)點內(nèi)存使用(G)

LB所需帶寬(MB)

11 千萬連接+20 萬消息吞吐，QoS 0，payload 100B1.5ms31%~48% 平均 47%37%~54% 平均 47%Used: 27.7~42 Free: 78.2~92.545
21 千萬連接下的消息廣播100ms最高 21%最低 69%Used 最高 32.3 Free 最低 87.9200
3300 萬客戶端瞬時連接3 分鐘完成連接最高 25%最低 63%Used 最高 14.7 Free 最低 108.2400
4探索最高吞吐：1 千萬連接+120 萬消息吞吐，QoS 0，payload 1kB164.3ms23%~64% 平均 46%20%~64% 平均 43%Used: 33~38 Free: 81.3~87.11350
51 千萬連接+QoS2 20 萬消息吞吐，payload 100B51.4ms3%~51% 平均 41%31%~53% 平均 43%Used: 22.2~29 Free:91~9895小結(jié)

如以上結(jié)果所示，在目前的部署架構(gòu)下，可以滿足該車企對于千萬并發(fā)連接 +20 萬消息橋接至 Kafka、消息廣播及 300 萬瞬時并發(fā)連接的驗證需求。在探索測試中，1000 萬連接下測試到最高 120 萬消息 TPS(QoS 0、payload 1kB)，測試持續(xù) 10 小時 EMQX 集群穩(wěn)定，CPU idle 最低至 20%，內(nèi)存使用平穩(wěn)。

由以上可知，EMQX 在車聯(lián)網(wǎng)場景下支持千萬連接性能表現(xiàn)突出，架構(gòu)穩(wěn)定可靠。

壓力測試工具簡介和使用
本次測試由于所需測試機數(shù)量多，管理復(fù)雜，故使用 EMQ 旗下商業(yè)版測試軟件 XMeter 性能測試平臺和 JMeter-MQTT 插件進行。
XMeter 是基于開源測試工具 JMeter 擴展的性能測試平臺。針對物聯(lián)網(wǎng)具有的接入規(guī)模大、彈性擴展要求、多種接入?yún)f(xié)議、混合場景等特點，XMeter 對 JMeter 進行了改造，可以支持大規(guī)模、高并發(fā)的性能測試，比如實現(xiàn)千萬級別的 MQTT 并發(fā)連接和消息吞吐測試。除了測試 MQTT 協(xié)議之外，還可以支持 HTTP/HTTPS 等主流的應(yīng)用的測試。
JMeter-MQTT 插件是由 XMeter 實現(xiàn)的開源 MQTT 性能測試插件，在眾多的項目中得到了使用，目前是 JMeter 社區(qū)中流行度最高的 MQTT 插件。

寫在最后

通過本文，我們介紹了基于云原生分布式物聯(lián)網(wǎng)接入平臺 EMQX 的千萬級車聯(lián)網(wǎng) MQTT 消息平臺架構(gòu)設(shè)計，并驗證了該架構(gòu)在千萬級并發(fā)連接場景環(huán)境下的性能表現(xiàn)，為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的消息數(shù)據(jù)平臺建設(shè)提供了一種可能的設(shè)計參考。

EMQ 作為全球領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施軟件提供商，致力于構(gòu)建高性能、低延時、高可用、高可靠的產(chǎn)品，為新一代車聯(lián)網(wǎng)體系提供消息采集、移動、處理和分析的整體解決方案，為整車制造商、T1 供應(yīng)商、后市場服務(wù)商、出行服務(wù)公司和政府管理機構(gòu)的自動駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)汽車業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障，實現(xiàn)人、車、路、云的智能連接。

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