MQTT’s Capabilities in an Unstable Network

Abstract

This thesis was created for Kalmar Cargotec. The company offers equipment for cargo ports, port implementations and port automation solutions. The aim of the thesis was to examine the suitability of a MQTT broker as a replacement for the current messaging solution. This was to be determined by testing MQTT’s behavior in a simulated, unstable network environment. It was im-portant to examine how default persistence in MQTT would handle disconnections. The perfor-mance of the default persistence was also to be examined. Another area of interest was the im-pact to performance of different settings in client program and MQTT broker. Performance of MQTT and persistence setting’s functionality needed to be tested on different QoS classes. QoS 0 testing was dropped due to company having a marginal need for it. For testing a MQTT broker need to be installed and configured. A client program needed to be programmed, which was then used to send and receive messages through the MQTT broker. A TCP proxy was also needed in between a client and the MQTT broker, in order to simulate uns-table network. By using a proxy the disconnection could be timed and controlled. For the thesis it was important to examine situation where the MQTT couldn’t recognize the disconnection, as well as having a test case where the disconnection time was long enough for MQTT to realize there was a disconnection. Tests showed that configurations had a small impact on how the MQTT broker was able to reco-ver from a disconnection. QoS setting had a noticeable impact but persistence had by far the largest impact on the results. Overall MQTT seems suitable for its intended role, even though persistence option didn’t offer the performance that was expected. It’s likely that if the MQTT was to be implemented, that they’d need their own solution for the persistence, to offer a more suitable performance for their needs. All coding was done in C and C++. Everything that wasn’t connected to MQTT Paho C-client was done in C++. Microsft Visual Studio 2017 was used as an integrated development environment. Mosquitto’s solution of an MQTT broker was used in all tests and all tests were ran on Microsoft Windows 10 operating system.

Kyseisen insinöörityön toimeksiantaja oli Kalmar Cargotec. Yritys tarjoaa rahtisatamavälineitä, -toteutuksia sekä automatisoituja rahtisataman automatisointiratkaisuja. Työn tehtävänä oli selvit-tää MQTT-välittäjän soveltuvuutta yrityksen edeltävän viestintälaitteiston korvaajaksi. Tämä tuli selvittää testaamalla MQTT:n toimintaa simuloidussa, epäluotettavassa verkossa. Työssä tuli selvittää, onko MQTT:n oletuspersistointi riittävä takaamaan yhteyden palautuksen ja luotettavan viestien välittämisen tilanteissa, joissa yhteys voi katketa. Oli myös selvittävä, onko oletuspersistoinnin suorituskyky riittävä. Lisäksi haluttiin testattavan eri asiakasohjelman ja MQTT-välittäjän konfiguraatioiden vaikutusta suorituskykyyn. Suorituskyky ja persistoinnin toiminta eri QoS-luokilla tuli testata. QoS 0-luokka jätettiin pois testauksesta, sillä sen tärkeys yrityksen tarkoitusperiin koettiin olevan marginaalinen. Työtä varten tuli asentaa ja konfiguroida MQTT-välittäjä, koodata asiakasohjelma, jonka avulla viestejä voitaisiin lähettää ja vastaanottaa MQTT-välittäjältä. Asiakasohjelman ja MQTT-välittäjän väliin tuli tehdä välityspalvelin, jonka avulla epäluotettavan verkon simulointi toteutettiin. Sen avulla viestien läpivienti pystyttiin ajastetusti estämään ja viestien toimittamista pystyttiin tutkimaan. Työn kannalta oli tärkeä tutkia tilannetta, jossa katkos ja viestien katoaminen tapahtui niin lyhyellä aikavälillä, ettei MQTT-välittäjä tai asiakasohjelma aikakatkaissut yhteyttä. Lisäksi tuli tutkia toimintaa tilanteessa, jossa yhteyden katkaisu tapahtui niin pitkällä aikavälillä, että MQTT-välittäjä sekä asiakasohjelma pystyivät itse toteamaan yhteyden olevan poikki. Testit osoittivat, ettei asetusten muuttaminen merkittävästi vaikuttanut MQTT:n kykyyn palautua odottamattomasta yhteyden katkeamisesta. Viestien toimituksen nopeuden testaamisessa merkittävimmiksi asetuksiksi nousivat QoS-asetuksen sekä pysyvyysasetuksen muuttaminen. QoS-luokan muutoksella 5000 viestin toimitusnopeus saatiin 5,5 sekunnista 3,0 sekuntiin. Pysyvyyden aktivoiminen aiheutti toimitusajan nousemisen 27 sekuntiin. Vaikutukset olivat erittäin merkittäviä. Automaattinen tallennus ja pysyvyys yhdessä aiheuttivat testiajojen epäonnistumisen useita kertoja. Yleisesti ottaen MQTT vaikuttaa sopivalta sen tarkoitettuun rooliin, vaikkakin pysyvyys ei tarjon-nut odotettua suorituskykyä. On todennäköistä, että otettaessa MQTT käyttöön joudutaan pysyvyys tuottamaan itse, paremman suorituskyvyn takaamiseksi. Pysyvyyden ja automaattisen tallennuksen välinen toimimattomuus tuskin nousisi esteeksi. Työn kaikki koodi tehtiin C:llä tai C++:lla. Kaikki koodi, joka ei ollut MQTT Paho C-asiakasohjelmaan suoraan yhteydessä, pyrittiin toteuttamaan C++:lla. Koodausympäristönä toimi Microsoft Visual Studio 2017. MQTT-välittäjänä työssä toimi Mosquitton toteutus. Työ toteutettiin Microsoft-käyttöjärjestelmälle.