从智能家居到工业互联网，从车联网到城市级感知网络， 物联网正让万物“对话”重塑生活。每天有数亿台设备和应用程序正在通过物联网系统发送和接收数据。面对海量设备及其产生的高速数据流，如何做好以 MQTT 为代表的物联网协议性能测试显得尤为重要。今天，我们来聊聊科学开展大规模 MQTT 性能测试的实践与方法。
01 MQTT 的工作原理
MQTT 是一种基于 TCP/IP 协议的即时通讯协议，采用发布-订阅模式。发布者发送消息，订阅者接收他们感兴趣的消息，代理服务器则负责将消息从发布者传递给订阅者。发布者和订阅者都是 MQTT 客户端，它们只能与 MQTT 代理服务器通信。
图：物联网传感器的 MQTT 发布和订阅模型
MQTT 发布/订阅模式的特点
区别于传统的客户端-服务器模式，使用 MQTT 协议来传输数据，只需要建立一次TCP连接，然后就可以通过 MQTT 协议来传输数据，不需要每次都重新建立连接和发送头部信息，因此可以大大减少网络带宽的占用和连接的不稳定性。同时，MQTT 协议支持不同的QoS等级，可以确保数据的可靠传输，即使网络连接不稳定，也可以保证数据不会丢失。
02 MQTT 性能测试的重要性
大多数性能测试工具都是为HTTP API和传统Web流量设计的，而MQTT作为一种有状态、事件驱动的协议，其行为则有所不同：
- 必须跨数千个客户端处理持久连接
- 基于主题的消息分发增加了架构的复杂性
- 服务质量等级、保留消息和遗嘱消息引入了影响性能的变量
因此，大规模测试 MQTT 系统不仅仅关乎稳健性，还关乎可靠性、成本效益，以及避免在高风险环境中出现生产故障，忽视 MQTT 性能测试也可能导致企业过度配置基础设施。
03 常见的 MQTT 协议测试场景
i 并发连接上限
在高并发场景下，MQTT 的长连接机制需要占用并消耗 MQTT Broker 的一定资源，需要通过性能测试，验证现网环境在有限资源下能够承受的连接上限。
ii 消息吞吐量测试
测试在不同发布/订阅模式下（扇入/扇出场景）消息传输的性能，从而展示 QoS 级别和有效负载大小等因素对生产环境系统性能的实际影响
iii MQTT Broker 选型测试
物联网行业存在诸多的Broker，如Mosquitto、EMQX、HiveMQ等等，通过选型测试，可以帮助企业全面评估技术支持能力
04 如何开展规模化的 MQTT 性能测试？
测试方法
测试一：连接数上限测试
- 目标：探测 Broker 集群的最大稳定连接数
- 方法：逐步增加模拟设备连接数，直至无法建立新连接或大量已有连接异常断开
- 压测参数：根据业务需求模拟用户数，摸高模式，爬坡时间2分钟
- 指标要求：连接成功率 ≥ 99.9%，连接建立后保持稳定，无异常断开
测试二：消息吞吐量测试
- 目标：测量不同 QoS 模式下的消息吞吐量和延迟
- 方法：分别配置QoS 0、QoS 1、QoS 2 三种模式，使用有效载荷大小为 1KB 的消息进行一对一通信，逐步提高消息发布速率来增加工作负载，并在每种工作负载下运行 5 分钟
- 压测参数：梯度增压模式，起始百分比20%，单次增幅10%
- 指标要求：请求失败率<=0.1%, CPU负载低于80%，上下行带宽不超过网络带宽的80%
测试三：峰值流量稳定性测试
- 目标：测量业务峰值（如智慧城市交通早晚高峰、智能家居规律性交互等）场景的系统稳定性
- 方法：分别验证QoS 0、QoS 1、QoS 2 三种模式，通过浪涌压力模型，模拟真实业务场景瞬时峰值TPS
- 压测参数 ：浪涌模式，起始百分比10%，起始保压时长30秒，峰值百分比100%，峰值保压时长60秒
- 指标要求：CPU负载低于80%，上下行带宽不超过网络带宽的80%
MQTT 性能测试关键指标
| 监控指标 | 描述 | 预期趋势与说明 |
|---|---|---|
| 实际连接数 | 成功建立并保持的MQTT连接数 | 目标是在尽可能高的数值上稳定保持 |
| 连接成功率 | 成功连接数 / 尝试连接数 | 接近100%为佳，下降则预示达到瓶颈 |
| 平均连接时间 | 完成TCP+MQTT握手的时间 | 会随连接数增加而上升，急剧上升预示瓶颈 |
| CPU使用率 | Broker进程的CPU占用 | 初期随连接数线性增长，后期因系统调度开销可能非线性飙升 |
| 内存使用率 | Broker进程的内存占用 | 核心指标，通常与连接数成 线性正相关 ，每个连接都有固定内存开销，这是最常见的瓶颈 |
| 网络连接数 | 操作系统层面的网络连接数（netstat, ss） | 应与MQTT连接数一致 |
| 网络带宽 | 网络接口的流入/流出流量 | 流量很小，主要由心跳包维持，但总量不可忽视（e.g., 100万连接 * 微小心跳包） |
| 系统文件描述符 | Broker进程和系统使用的FD数 | 必须确保系统级和进程级的FD限制远大于目标连接数 |
05 测试工具
这里介绍几款常用的可用于 MQTT 协议性能测试的工具
JMeter
使用 JMeter 需要安装一个 MQTT JMeter 插件，优点是开源免费，缺点是有一定门槛和学习成本，需要自行搭建测试环境。
XMeter Cloud
该工具是 EMQ 基于 JMeter 提供的 MQTT 性能测试云服务。础版用于快速体验 XMeter Cloud 测试服务。该版本支持最高 1000 连接以及最高 1000/秒消息吞吐，适用于小规模公网 MQTT 测试。专业版提供了企业级的性能测试支持，不限连接数和消息吞吐，适用于大规模的物联网测试场景。
优测全链路压力测试工具
优测全链路压力测试平台针对 MQTT 协议深度定制，该工具适合企业级、大规模测试，支持千万级并发能力，无需另行搭Prometheus等监控栈，优测平台采集压力机与被测集群的CPU、内存、网络等系统负载数据，并与压测指标时间对齐，一个平台完成压测与观测。
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