沙特国王大学学报物联网网络中AMQP over QUIC的性能评估Faheem Iqbala，Moneeb Gohara，Chang，Hani Alquhayzb，Seok-Joo Kohc，Jin-Ghoo Choida巴基斯坦伊斯兰堡Bahria大学计算机科学系b沙特阿拉伯Majmaah大学Zulfi理学院计算机科学与信息系c大韩民国庆北国立大学计算机科学与工程学院d大韩民国岭南大学信息和通信工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2022年9月22日收到2023年1月26日修订2023年2月20日接受2023年3月2日在线发布保留字：QUICAMQPAMQP1.0物联网性能分析DockerTCP能量分析A B S T R A C T在当今为了连接来自不同供应商的物联网设备研究人员正在努力最大限度地减少延迟，因为许多物联网应用对它很敏感。底层使用的传输层协议，如TCP或UDP，是延迟的主要原因之一。虽然TCP比UDP慢，因为三次握手和TLS的使用安全性，但它比UDP更可靠Internet工程任务组引入了一种称为QUIC的新传输层在这项研究中，我们使用Go编程语言集成了QUIC和AMQP 1.0Docker工具用于容器化AMQP1.0 Broker、Broker和Receiver实现。在NS 3模拟器中，通过各种无线网络（包括WiFi、4G/LTE和卫星）对AMQP 1.0 over TCP和AMQP 1.0 over QUIC的性能进行了基准测试QUIC在有损网络上表现出相当大的改进。结果表明，在传输层从TCP切换到QUIC，在卫星网络上的通信时间降低了8.57%。虽然往返时间几乎相同，但在WiFi、4G/LTE和卫星的情况下，启动延迟分别提高了52%、38%和34%。此外，在不同的分组丢失值下，对AMQP 1.0 overTCP和AMQP 1.0 over QUIC的性能进行了评估，结果表明AMQP 1.0 over QUIC在所有情况下都优于AMQP1.0 over TCP测试结果显示，在数据包丢失率为15%的情况下，TCP性能在WiFi、4G/LTE和卫星上分别下降了20%、16%和36%，而QUIC性能在每种情况下仅下降了4%、8%和9%版权所有2023作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY许可下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 介绍物联网（IoT）是指连接到互联网的对象物联网没有单一的通用或标准定义。这些小工具有一个嵌入式系统，可以收集数据，处理数据，并将其发送到其他设备。与互联网的通信是物联网和无线传感器网络之间的唯一区别无线传感器网络不直接连接-*通讯作者。电子邮件地址：mgohar. bahria.edu.pk（M. Gohar）。沙特国王大学负责同行审查。物联网设备连接到互联网，而物联网设备连接到互联网。相反，传感器连接到中央节点，也称为群集头，然后连接到互联网。物联网的目标是将相对笨拙的物品（如温度传感器）连接到互联网上。大多数IoT在存储、计算、电池等方面具有有限的资源，（Sector，2012）提供了一个更全面的物联网定义，包括物理和虚拟的东西，可以识别和连接到互联网。物联网有许多用例，如智能城市、智能电网、远程测量、智能制造、智能农业等。这些设备可以密集部署，数量非常多，达到数十亿。根据CISCO（思科，201829.3从2018年的184亿增加到2019年的100亿，这将是全球人口的三倍多。https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2023.02.0181319-1578/©2023作者。由Elsevier B.V.代表沙特国王大学出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。制作和主办：Elsevier可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comF.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报2ITU-T Y-2060建议（Sector，2012）确定了物联网设备的四个基本特征：互连性、巨大规模、异构性和动态变化。物联网设备需要连接到互联网，以便从所有位置随时可以访问它们，因此，互联性是物联网设备的核心特征其次，物联网设备的数量非常庞大，并且增长迅速。因此，需要建立网络来容纳如此大量的设备。需要建立能力，需要提供更多的综合方案，即，从IPV4到IPV6的转变迫在眉睫。第三，物联网设备由许多不同的供应商制造，不幸的是，由于设备在很大程度上存在差异，因此此外，物联网设备有不同的用例，它们具有完全不同的要求。例如，远程手术、工业机器人、自动驾驶汽车等，对延迟非常敏感并且需要非常高的精度另一方面，用于天气预报等的温度没有这么严格的要求。设备的功能也有所不同，这取决于它们的用例。很少有有限的电池资源，而其他没有任何这样的约束，因此，异质性有关的能力的设备，这些设备的通信和传输数据的方式是在高端。最后，物联网设备的目的之一因此，物联网设备还需要适应这些变化，例如将状态从连接模式更改为睡眠模式，反之亦然。此外，随着新设备连接到互联网，需求可能会发生变化，从而产生新的见解。因此，动态变化是物联网的主要特征物联网用例有不同的要求，因此，应用层协议并不适合所有应用。因此，当前正在使用许多应用级协议，如消息收发远程通信传输（MQTT）、约束应用协议（CoAP）、可 扩 展 消 息 收 发 和 存 在 协 议 （ XMPP ） 、 高 级 消 息 收 发 协 议（AMQP）等。这些协议具有其自身的优点和缺点，因此选择用于IoT设备的特定协议是一个挑战（Bansal等人， 2021年）。 Al-Masri et al. （2020）全面概述了不同的物联网协议以及每个协议的优缺点，这有助于为特定用例选择所需的协议。然而，迫切需要一种可互操作和可扩展的协议，以满足异构性并适应物联网不断发展的新用例考虑到这些需求，XMPP和AMQP从其他协议中脱颖而出。XMPP不提供任何QoS，编码是基于文本的，而AMQP提供三个级别的QoS，并支持二进制编码。延迟是许多物联网用例的重要参数，研究人员正在努力寻找尽可能减少延迟的方法。de Oliveira等人（2019）的研究人员研究了MQTT代理在智能城市场景中的性能，并表明延迟受到带宽和硬件资源的影响。在通信中引入延迟的因素之一是底层传输协议，如TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP使用三次握手来建立连接，并依赖TLS来确保安全性，因此会发生额外的延迟。虽然TCP提供了可靠的通信，但它的速度很慢。此外，它还面临着线头阻塞、半开连接等问题。Gomez等人（2018）详细讨论了TCP在物联网场景中面临的问题。另一方面，UDP提供快速但不可靠的通信，这在许多物联网场景中是不可取的。最近，一个新的协议（Iyengar和Thomson，2021），QUIC已经在IETF标准化，其目的是结合UDP和TCP的良好质量，以便快速可靠的通信，可以实现。此外，QUIC可以解决TCP所面临的各种问题，如线头阻塞，半开连接，发送保持活动消息以维持已建立的连接等，这将对物联网场景非常有益。 物联网设备通常安装在无线网络覆盖不足的位置，这会导致通信延迟和数据包丢失。因此，重传次数以及通信时间增加。除了通信延迟之外，还消耗更多的电池或能量。 因此，一个可靠的传输层协议，可以承受延迟和数据包丢失是必不可少的。此外，IoT设备通常不需要连续地传输数据，因此它们进入睡眠模式以节省电池寿命。当数据准备好发送时，这些设备将重新激活。可靠的连接，如TCP，是可靠通信所必需的，但是当没有真正的数据通过TCP连接发送时，必须发送虚拟的保活数据包，以防止TCP连接被丢弃。这意味着设备不能进入睡眠模式，或者每次需要传输数据时必须创建新的。这两种情况都将导致更高的能源使用。在这项研究中，我们将AMQP 1.0与QUIC集成，以实现快速安全的通信。我们选择AMQP 1.0是因为它是一种可扩展和可互操作的协议，可以应对异构物联网环境中的互连挑战另一方面，使用QUIC而不是TCP减少了通信时间，因为可以在单个QUIC握手期间交换加密和传输参数因此，通信时间显著改善。QUIC对延迟和数据包丢失的抵抗力也更强，使其成为有损网络条件下的最佳选择根据调查结果（Fernández等人，2020;Herrero，2020），QUIC在有损网络中的性能明显优于为了对AMQP 1.0在QUIC上的性能进行基准测试，本研究考虑了三种不同类型的无线网络，包括WiFi、4G/LTE和卫星其余文件的结构如下。第2节简要介绍了文献综述。第3节介绍了用于分析AMQP 1.0 over TCP和AMQP 1.0 over QUIC性能的实验设置和实现。结果和分析在第4节中给出，而第5节总结了论文以及未来计划的任务2. 文献综述过去已经进行了大量关于物联网应用和传输层协议的研究。在本节中，首先简要回顾了应用层和传输层协议，然后介绍了在物联网中引入QUIC所做的工作2.1. 物联网应用层协议过去的研究人员对物联网应用级协议（如MQTT 、 CoAP 、XMPP和AMQP）进行了大量研究，以下小节将对其进行回顾：2.1.1. MQTTMQTT于1999年发明，是OASIS标准。其版本3.1.1（标准，2014）也得到了ISO的认可。它是一种轻量级协议，具有非常小的代码占用量，非常适合受限设备，并使用发布/订阅结构，通过该结构可以将消息从一个设备传输到多个设备。MQTT的架构由三部分组成：发布者、订阅者和代理。发布者是生产数据的设备，订阅者是最终用户设备，而代理管理订阅和所需数据的及时分发F.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报3从机器到机器通过TCP实现可靠的通信，传输和发布特定主题下的设备数据。 MQTT的另一个变体称为MQTT-SN，MQTT用于传感器网络，使用UDP快速传输传感器数据。Yokotani和Sasaki（2016）的作者比较了MQTT和HTTP的性能，并表明MQTT在物联网场景中的性能优于MQTT规范（标准，2014;标准，2019）定义了三个QoS级别和异常断开情况下的通知2.1.2. CoAPCoAP是机器对机器通信协议，并且像HTTP一样，它使用请求/响应架构，并且可以被认为是用于受限设备的HTTP的轻量级替代方案 CoAP在2014年由互联网工程任务组（IETF）标准化，并在RFC7252（Shelby等人， 2014年）。 它使用UDP传输和DTLS提供安全性，并支持四种类型的消息，即可确认（CON），不可确认（NON），确认（ACK）和重置（RESET）。消息是异步交换的，这允许设备在没有数据传输时休眠，从而延长电池寿命。然而，在不可确认的操作模式下，可靠性受到影响。Colitti等人（2011）评估了CoAP和HTTP的性能，并表明CoAP更适合物联网，因为与HTTP相比，它消耗更少的能量，因为它具有更短的传输时间。Guamán等人（2020）将CoAP和MQTT与Raspberry PI 3进行了比较，结果表明MQTT 优于 CoAP 。 Hartke 等人（ 2018 ）定义了TCP/TLS上的CoAP。2.1.3. XMPP可扩展消息和存在协议是开放标准，正式名称为Jabber，用于实时通信、语音和视频呼叫以及即时消息等。XMPP的详细历史和描述在其官方网站（XMPP-企业网站）上给出。IETF于2002年成立了XMPP工作组，对XMPP协议的核心功能进行了标准化2004年通过RFC 3920和RFC 3921，后来在2011年通过RFC 6120（Saint-Andre，2011 a）和RFC 6121（Saint-Andre，2011 b）进行了更新。此外，XMPP标准基金会（XSF）正在开发XMPP扩展（XEP）。XMPP提供XEP中定义的发布/订阅（异步）（Millardet al.，2010;Saint-Andre和Smith，2010&XSF）和消息传输的请求/响应（同步）方法。它基于可扩展标记语言（XML），并广泛部署在Web上。XMPP是一种可行的选择，可以用于异构物联网环境，并可以提供互操作性。它还提供了可扩展性，开放性和灵活性等优势（Saint-Andre，2011 a），并且是物联网（XMPP-IoT-Website）的合适协议。此外，它已经建立了Web协议，并基于XML，在世界各地的大量服务器上实现。Wang等人（2017）的作者提出了一种适合物联网场景的XMPP轻量级变体2.1.4. AMQP高级消息传输协议最初由摩根大通为金融行业开发，然后扩展到OASIS工作组。它有几个实验版本（0.8，0.9.1，0.10）和标准化AMQP版本1.0（标准，2018）是自2014年以来的ISO/ IEC 19464标准。AMQP使用发布/订阅和请求/响应架构来交换消息。它基于TCP，也支持SCTP的多个连接。它依赖于TLS/SASL的安全性。AMQP 1.0（标准，2018）使用分层模型，使用传输和连接安全协议，帧传输协议和消息传输协议。它支持消息代理、对等消息传递和超大规模消息基础设施。在AMQP的实验性版本中，经纪人由三个组件组成，即交换、绑定和队列。然而，AMQP 1.0只提供了一个协议规范，对代理架构保持沉默。Fan和Kim（2020）的作者使用Raspberry Pi（客户端）和PC（服务器）比较了AMQP ，MQTT，CoAP和HTTP 已经表明，AMQP的延迟略大于MQTT，但大大小于CoAP和HTTP。Fan和Kim（2020）的发现总结见表1。上面讨论的物联网应用级协议的比较在表2中呈现。2.2. 传输层协议传输层负责两个端点之间的数据传输它负责服务点寻址、数据分段和重组、连接控制、流量控制和错误控制。数据的可靠性取决于传输层。运输议定书的审查如下：2.2.1. TCP/UDP在传输层有两种众所周知的协议，即传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP的规范于1974年在RFC 675（因特网传输控制程序规范，1974）中设定，并通过RFC 7805重新分类（Zimmermann等人，2016年）。UDP 是在1980年的RFC 768（User Datagram Protocol，1980）中正式定义的。TCP是一种面向连接的协议，在TCP协议中，客户端和服务器之间的连接需要通过三次握手过程来建立。TCP依赖于传输层安全性（TLS）来提供安全性，并且需要交换参数，这会引入进一步的延迟。TCP以有序的方式提供可靠的数据包传输以及错误检查。另一方面，UDP是无连接协议，它不需要与客户端和服务器建立连接，因此它比TCP更快，更有效，但是，不能确保数据包的有序传递。UDP更适用于错误检查不是基本要求的情况虽然TCP是一种可靠的数据传输协议，但它面临着各种问题。首先，它使用三次握手进行连接建立，通常需要大约1个往返时间（RTT），而对于安全握手，则需要额外的2或3个RTT其次，需要在TCP中发送保活数据包，以防止连接丢失，从而消耗受限设备的电池。通常，当不需要发送数据时，设备会进入睡眠状态，这意味着每次需要发送数据时，都需要建立新的连接。第三，如果使用流控制传输协议（SCTP）传输多个流，并且前导流面临丢包，则所有其他流都会被阻塞，这被称为行头阻塞问题。最后，如果TCP连接从一端突然结束，它可能在另一端保持开放，这被称为半开放连接，攻击者可能会使用它通过TCP SYC洪泛来引起分布式拒绝服务（DDOS）（Eddy，2007）。2.2.2. QUICQUIC是一种新的传输协议，由IETF（Iyengarand Thomson，2021）于2021年标准化它最初由Google提出，被称为gQUIC（Google-QUIC）。其背后的动机是使用UDP提供TCP级别的可靠性，即结合TCP和UDP的优点，以便可以有效和可靠地传输数据。两个端点之间的通信使用UDP数据报中携带的QUIC数据包进行应用程序通过结构化和有序的字节序列流与QUIC通信。QUIC流可以是两种类型，即双向流，其中两个端点F.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报4表1IoT协议的性能比较议定书传输层安全延迟MQTTTCP贫困0.1101AMQPTCP优秀0.1255CoAPUDP平均0.8661HTTPTCP好1.2360可以发送数据和单向流，其中只有一个端点可以发送数据。QUIC使用反馈、拥塞控制和机制来检测和恢复丢失。QUIC使用内置的安全功能，并且在QUIC握手期间，加密参数也从传输参数中交换一部分，因此延迟大大减少。事实上，它甚至可能建立与0-RTT的连接，其中使用先前交换（存储）的参数，直到握手完成。此外，QUIC支持连接迁移，还有助于解决诸如线头阻塞和半开放连接等问题。Langley等人（2017）的作者估计，QUIC承载了大约30%的Google出口流量和大约7%的互联网流量。图1显示了TCP和QUIC握手的比较，而表3中给出了TCP上的AMQP和QUIC上的AMQP之间的架构比较。2.3. QUIC和IoT许多物联网应用，如自动驾驶汽车、远程手术、工业制造等，对延迟非常敏感，迫切需要快速可靠的通信在这种情况下。此外，电池寿命对IoT也至关重要。因此，设计一种减少延迟和延长物联网设备电池寿命的机制是不可避免的。目前，TCP用于可靠通信，然而，TCP具有各种问题。它使用三次握手，并依赖于另一种协议TLS来实现安全性，因为它的延迟很高。此外，它还面临着诸如线头阻塞、半开连接、当没有实际数据正在传输时需要连续发送保活分组以维持已建立的连接等问题。因此其效率不高并且消耗更多的电池。另一方面，QUIC连接可以用0-RTT建立，并且它具有内置的安全功能，由于该安全功能，可以在单个消息中交换加密和传输参数，从而减少延迟。此外，QUIC利用连接恢复而不是发送保活消息，即在需要时使用0- RTT重新建立连接。因此，设备可以进入睡眠模式，并在需要发送数据时恢复连接，从而延长电池寿命。根据Kumar et al. （2020），QUIC在物联网场景中非常有益，因为物联网设备通常部署在无线条件通常不充分的区域，因此TCP会产生相当大的延迟并消耗受限设备的更多电池寿命。每次设备必须发送数据时，都需要首先建立新的连接。QUIC通过0-RTT解决了TCP的这些缺点QUIC使用连接ID来标识设备，因此可以迁移连接，此外，它还克服了线头阻塞问题。过去的研究人员（Kumar和Dezfouli，2019）使用Raspberry Pi 3B设备构建的无线，有线和远程测试床研究了MQTT在QUIC上的性能，并证明了MQTT与QUIC在处理器使用，内存使用和延迟方面优于MQTT与TCP。作者Fernández等人（2020）使用GO编程语言将MQTT与QUIC集成，并在NS-3模拟器中进行了广泛的测试。使用三种不同的网络配置（即WiFi、4G/LTE和卫星）对MQTT over QUIC的性能与MQTT over TCP进行了基准测试，并研究得出结论，QUIC的性能比TCP好得多，特别是在有损耗的网络条件下Herrero（2021）的作者将CoAP与QUIC集成，并通过UDP与CoAP和TCP与CoAP进行通信。利用Gilbert-Elliott的两态马尔可夫信道模型（Gilbert，1960 ; Elliott，1963）建立了消息丢失的数学模型，有人认为QUIC比TCP和UDP损耗更小。MQTT和CoAP是物联网中两种广泛使用的协议，Kumar和Dezfouli（2019）和Herrero（2021）的研究人员已经分别将它们与QUIC集成在一起。然而，AMQP 1.0也是一个重要的可扩展和互操作的物联网协议，尚未与QUIC集成。因此，在这项研究中，我们将AMQP 1.0与QUIC集成，并在NS 3模拟环境中进行了广泛的测试，以评估其在不同无线测试床（包括WiFi，4G/LTE和卫星）上的性能。3. 实验设置和实施现有的和建议的协议栈，用于传输AMQP 1.0的数据如图所示。二、AMQP 1.0的数据在现有方案中通过TCP传输，并使用TLS版本1.2提供安全性。另一方面，所提出的方案通过QUIC传输AMQP 1.0的数据。由于QUIC具有内置的安全性，并且在其初始握手中包括传输和加密参数，因此减少了通信时间。上述两种方案都在Go编程语言中实现，并在NS3中进行了广泛的测试。之所以选择Go编程语言，是因为与原生AMQP 1.0（AMQP电子包）和QUIC（QUIC-GO包）相关的表2IoT应用层协议比较标准MQTT CoAP XMPP AMQP标准化1999 2014 2004 2014管理机构OASIS IETF IETF OASIS，ISO/IEC体系结构发布/订阅要求/Res发布/订阅要求/Res发布/订阅要求/Res传输TCP UDP/TCP TCP TCP，SCTP互操作性语义基础结构结构可扩展性否否是是QoS支持2级3级无3级标题大小2字节4字节变量8字节安全TLS/SSL DTLS，IPSecTLS/SSL，SASL TLS/SSL，IPSec，SASL* 发布/订阅：发布/订阅。* Req/Res：请求/响应。F.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报5表3建筑比较。Fig. 1. TCP和QUIC握手。参数现有计划建议计划运输TCPQUICRTT3-RTT1-RTT安全TLS 1.2TLS 1.3协议开销低高连接迁移没有是的多流媒体没有是的启动等待时间高低图二、现有提议的协议栈。公开访问。同样，NS3是一个开源的离散事件网络模拟器，被研究人员广泛使用。用于执行测试的实验装置的高级框图如图3所示。AMQP 1.0发送方、代理和接收方在Docker工具的帮助下被容器化，并通过WiFi、4G/LTE和Satel-lite利用Tap Bridge的概念作为幽灵节点连接到NS 3。图3的容器1表示AMQP 1.0代理/接收器，而容器2用于AMQP1.0代理。代理/接收方显示为幽灵节点“n 0”，而代理由节点“n1”表示。可以将这两个节点看作是在两个不同的LAN上。然后将这两个节点连接到两个点对点图三. 实验装置。具有1Gbps容量的节点，充当网关路由器。 该链路的容量相当高，以确保瓶颈位于我们感兴趣的无线链路上。两个网关路由器之间的链路（P2P链路）按照表4建模，以模拟不同的无线网络。此外，在所有测试场景中，相同的设置用于TCP上的AMQP 1.0和QUIC上的AMQP 1.0关键性能指标（KPI），如通信时间，启动延迟和往返时间（RTT）被用来比较我们提出的方案，AMQP 1.0在QUIC的性能，现有的方案，AMQP 1.0在TCP。这些KPI定义如下：表4用于模拟不同无线网络的网络参数。WiFi 4G/LTE卫星数据速率（Mbps）20 10 1.5延迟（ms）25 100 600F.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报6见图4。 信息流。表5不同网络上的通信时间网络WiFi4G/LTE卫星TCP上的AMQP44.2453.61116.67AMQP Over QUIC44.1752.23106.67改进0.16%2.58%8.57%图五.通过WiFi的通信时间。通信时间Communication Time是Broker将所有消息发送到Broker所花费的总时间，即，通信的第一个分组和最后一个分组之间的持续时间。它以秒为单位，公式如下：通信时间/时间 最后分组- 第一个数据包启动等待时间第一个有用的应用程序数据包从AMQP1.0网关发送到AMQP1.0Bro- ker所需的时间称为启动延迟。此KPI的较低值见图6。通信时间超过4G/LTE。见图7。 卫星通讯时间意味着更早地发送有用的应用分组，从而导致更快地开始实际通信。如果在传输层使用TCP，启动延迟是TCP和TLS握手完成后，Broker将第一个应用程序数据包发送到Broker所需的时间在QUIC的情况下，启动延迟是指Broker将第一个应用程序数据包与目的地连接ID（DCID）发送到Broker所花费的时间往返时间往返时间（RTT）是数据包从源到目的地再返回所需的时间。在当前场景中，AMQP1.0 Broker充当源，AMQP1.0 Broker充当目标。RTT以秒为单位测量。3.1. AMQP 1.0在TCPAMQP1.0代理、代理和接收器是使用免费下载的Go包（AMQP-Electron-Package）实现的。AMQP 1.0标准（标准，2018）指定TLS1.2，在RFC 5246（Dierks和Rescorla，2018）中定义，用于提供除RFC 4616（Zeilenga，2006）中定义的SASL之外的安全性。然而，AMQP 1.0的上述实现没有使用TLS 1.2，因此，相应地进行了必要的修改。3.2. 将AMQP 1.0与QUIC开发了一个新的Go包，即qConn，以集成AMQP 1.0和QUIC。在这个新的包中，Listen和Dial函数与其他支持函数一起定义，帮助创建QUIC代理和QUIC发送者/接收者。函数qConn.Listen（）用于实现QUIC AMQP1.0 Broker。这个在qConn包中定义的函数使用了quic。●●●F.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报7表6数据包丢失的影响。网络分组丢失TCPQUIC改进WiFi0%的百分比44.2444.170.16%百分之五46.0545.61百分之零点九五百分之十48.9247.692.52%百分之十五53.0245.7313.74%4G/LTE0%的百分比53.6152.232.58%百分之五55.1353.45百分之三点零五百分之十58.8654.008.26%百分之十五62.4256.26百分之九点八七卫星0%的百分比116.67106.678.57%百分之五126.65110.4712.77%百分之十145.62112.3522.85%百分之十五158.24116.6926.26%见图8。 启动延迟。见图10。 数据包丢失对WiFi性能的影响。见图9。RTT。ListenAddrEarly（）创建QUIC Broker，监听指定的地址。它的工作原理类似于quic.ListenAddr（），但在握手完成之前返回连接。函数quic.Lis- tenAddrEarly（）使先前连接到Broker的代理程序能够访问保存在会话缓存中的数据。因此，重新建立连接不需要重新协商每个参数，并且数据交换在握手完成之前发生。类似地，QUIC AMQP 1.0代理 / 接 收 器 使 用 函 数 qConn.Dial （ ） ， 该 函 数 随 后 使 用quic.DialAddrEarly（）与QUIC AMQP 1.0 Broker建立新的QUIC连接。4. 结果和分析在NS3上进行了全面的测试活动，NS3安装在具有4个处理器、8GB RAM和Ubuntu 20.04 LTS操作系统的虚拟机两者评估现有和建议的计划，以衡量其表现。所有测试场景都运行多次，以减少错误并产生更好的结果。此外，在NS3脚本中启用了pcap跟踪，以便可以方便且准确地测量参数。图4描述了用于评估所提出的方 案 和 现 有 方 案 的 性 能 的 测 试 场 景 。 从 AMQP1.0 Broker 向AMQP1.0 Broker发送了一条消息，然后关闭了连接在每个实验中，发送了10条消息此外，每个实验进行5次。在一个实验中发送10条消息的目的是创建10个新连接，以获得准确的统计数据。此外，实验重复5次以获得更好的统计结果。因此，我们收集了50个样本的现有和拟议的计划。测量了从AMQP1.0 Broker向AMQP1.0 Broker发送10条消息目的是分析QUIC的1-RTT或0 -RTT连接建立相对于传统的TCP三次握手所带来的优势表5显示了在不同条件下获得的结果的总结ent无线网络。可以观察到，在卫星的情况下观察到最高的改进，当在传输层使用QUIC而不是TCP时，卫星的通信显示出8.57%的改进。在4G/LTE网络的情况下，注意到2.58%的改善，而在WiFi的情况下，仅观察到0.16%的改善。图图5-7分别示出了通过WiFi、4G/LTE和卫星的通信时间的须状图。可以注意到，在TCP的情况下，晶须非常紧密，表明变化较小，而在QUIC的情况下，观察到轻微的变化在所有情况下，QUIC都优于TCP，F.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报8见图11。丢包对4G/LTE性能的影响。见图12。 数据包丢失对卫星性能的影响。图13岁连接迁移 * HO =切换。然而，与WiFi相比，在像卫星和4G/LTE这样的有损网络的情况下，差异更明显。表6.还测量 了启动延迟， 即发送第一 应用分组的时 间和往返时 间（RTT），并且结果分别在图8和图9中示出。分析显示，在WiFi、4G/LTE和卫星的情况下，启动延迟分别显示出52%、38%和34%的改善，而两种方案的RTT几乎保持相同，因此启动延迟的改善不能归因于RTT。4.1. 丢包的影响数据包丢失会对性能产生重大影响，导致重传和通信延迟。使用tc工具调整了丢包率，并评估了AMQP 1.0在TCP上和AMQP 1.0在QUIC上的性能。图1A和1B中的丢包条形图。图10-12显示了实验结果。可以看出，TCP上的AMQP 1.0的性能明显比QUIC上的AMQP 1.0差，特别是在较高的分组丢失率下。测试结果显示，在数据包丢失率为15%的情况下，TCP性能在WiFi、4G/LTE和卫星上分别下降了20%、16%和36%，而QUIC性能在每种情况下仅下降了4%、8%和9%。这表明QUIC在有损网络的情况下比TCP更有效。5. 结论今后的工作我们在QUIC上实现了AMQP 1.0，并使用NS3进行了广泛的测试。通信时间和启动延迟已得到显着改善，允许快速和可靠的连接。结果表明，在传输层使用QUIC代替TCP，在卫星网络上降低了8.57%的通信时间，在4G/LTE上降低了2.58%，在WiFi上降低了0.16%。在WiFi、4G/LTE和卫星的情况下，启动延迟分别提高了52%、38%和34%。此外，现有的和建议的计划进行了测试下的各种数据包丢失的情况。结果表明，在所有测试中，QUIC上的AMQP 1.0优于TCP上的AMQP 1.0。现有方案的性能在WiFi、4G/LTE和卫星上分别下降了20%、16%和36%，在分组丢失为15%时，而所提出的方案的性能在这些情况下的每种情况下仅下降了4%、8%和9%。QUIC具有连接迁移的独特功能，使用该功能，活动会话可以从一个网络无缝迁移到另一个网络而不会丢失。由于QUIC连接是通过唯一ID标识的，因此底层IP和端口可以更改，而不会影响正在进行的连接。在TCP的情况下，一旦底层网络发生变化，正在进行的连接将中断，吞吐量将变为零，然而，在QUIC的情况下，与服务器的连接将继续，然而，将观察到吞吐量的下降。连接迁移概念在图13中进行了详细说明，我们打算在未来测试此功能以及QUIC的多流功能。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。确认作者要感谢Majmaah大学科学研究部主任在项目编号No. R-2023-74引用Al-Masri，E.，Kalyanam，K.R.，Batts，J.，金，J.，辛格，S.，Vo，T.，Yan，C.，中国地质大学，2020. 研究物联网（IoT）的消息传递协议。IEEE Access 8，94880-94911。AMQP电子封装，https://pkg.go.dev/github.com/apache/qpid-proton/go/pkg/electron。班萨尔，M。例如，2021. mqtt和coap协议在不同仿真环境下的性能比较。在：发明通信和计算技术。施普林格，pp. 549- 560F.伊克巴尔，M。Gohar，H.Alquhayz等人沙特国王大学学报9联合思科，思科年度互联网报告（2018Colitti，W.，Steenhaut，K.，De Caro，N.，Buta，B.，Dobrota，V.，2011.无线传感器 网 络 受 限 应 用 协 议 的 评 估 。 在 ： 2011 年 第 18 届 IEEE 本 地 城 域 网 研 讨 会（LANMAN），pp。1比6de Oliveira，D.L.，da S.Veloso，A.F.，Sobral，J.V.V.，Rabelo，R.A.L.，罗德里格斯，J.J.P.C.，Solic，P.，2019.智慧城市物联网中mqtt中介的绩效评估。2019年第四届智能与可持续技术国际会议（SpliTech）1比6Dierks，T.， Rescorla，E.， 2018. 传输层安全（tls）协议版本1.2。埃迪，W.，2007. 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