## 前言

QUIC([RFC9000](https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc9000)) 是下一代網際網路協議 HTTP/3 的底層傳輸協議，與 TCP/TLS 協議相比，它**在減少連線開銷與訊息延遲的同時，為現代移動網際網路提供了有效靈活的傳輸層。**

EMQX 5.0 是首個將 QUIC 引入 MQTT 的開創性產品。在長期的客戶服務和技術探索中，我們注意到 QUIC 的特效能夠和一些物聯網場景完美契合，於是嘗試將 MQTT 的傳輸層替換成 QUIC，由此誕生了 MQTT over QUIC。

正如 [MQTT over QUIC：物聯網訊息傳輸還有更多可能](https://www.emqx.com/zh/blog/mqtt-over-quic) 一文所述，在網路不穩定、連線多變的物聯網場景下，QUIC 低連線開銷和多路徑支援的特性就顯示出了其領先的優勢。測試資料也表明，基於 QUIC 0 RTT/1 RTT 重連/新建能力，MQTT over QUIC 能夠在弱網與不固定的網路通路中有效提升使用者體驗。

EMQ 正以世界知名開源和開放標準機構 OASIS 的 [Foundational Sponsor ](https://www.emqx.com/zh/news/emq-becomes-oasis-opens-newest-foundational-sponsor)身份積極推動 MQTT over QUIC 的標準化落地。事實上，目前已經有一部分客戶開始嘗試將這一新特性投入使用並獲得了良好的反饋。為了更多使用者能體驗到 MQTT over QUIC 為物聯網訊息傳輸帶來的提升，我們將透過本文指導您如何從零開始上手使用 MQTT over QUIC。

## 啟用 MQTT over QUIC

MQTT over QUIC 特性隨 [EMQX 5.0](https://www.emqx.io/zh/downloads) 釋出。由於是實驗性功能，在 CentOS 6、macOS 以及 Windows 系統下並未包含 QUIC 編譯，請自行從原始碼編譯並在編譯前指定環境變數 `BUILD_WITH_QUIC=1` ，其他作業系統和平臺則可以正常使用。

MQTT over QUIC 預設不可用，請透過以下配置手動開啟。

1. 開啟配置檔案 `etc/emqx.conf`，取消 `listeners.quic.default` 配置組的註釋（如果沒有此配置組請手動新增）：

```puppet
   # etc/emqx.conf
   listeners.quic.default {
     enabled = true
     bind = "0.0.0.0:14567"
     max_connections = 1024000
     keyfile = "etc/certs/key.pem"
     certfile = "etc/certs/cert.pem"
   }
   ```

2. 該配置表示啟用 QUIC 監聽器並繫結 UDP `14567` 埠，儲存成功後請重啟 EMQX 以應用配置。

3. 執行 `emqx_ctl listeners` 命令，可在結果中看到 MQTT over QUIC 監聽器已啟用：

```yaml
   > emqx_ctl listeners
   quic:default
     listen_on       : :14567
     acceptors       : 16
     proxy_protocol  : undefined
     running         : true
   ssl:default
     listen_on       : 0.0.0.0:8883
     acceptors       : 16
     proxy_protocol  : false
     running         : true
     current_conn    : 0
     max_conns       : 512000
   ```

您也可以使用 Docker，透過環境變數選取 UDP `14567` 作為 QUIC 埠快速體驗：

```livescript
docker run -d --name emqx \
  -p 1883:1883 -p 8083:8083 \
  -p 8084:8084 -p 8883:8883 \
  -p 18083:18083 \
  -p 14567:14567/udp \
  -e EMQX_LISTENERS__QUIC__DEFAULT__keyfile="etc/certs/key.pem" \
  -e EMQX_LISTENERS__QUIC__DEFAULT__certfile="etc/certs/cert.pem" \
  -e EMQX_LISTENERS__QUIC__DEFAULT__ENABLED=true \
emqx/emqx:5.0.10
```

## MQTT over QUIC 客戶端與工具

相比於 MQTT 而言，目前 MQTT over QUIC 仍然缺少完整的客戶端庫和工具鏈支援。

我們針對 MQTT over QUIC 的適用場景，計劃提供 C、Java、Python、Golang 等多個語言的客戶端庫並按照優先順序逐個支援，確保嵌入式硬體等這類契合場景的業務能夠率先將 QUIC 利用起來。

### 已有的客戶端 SDK

- [NanoSDK](https://github.com/nanomq/NanoSDK/)：由 NanoMQ 團隊釋出的 C 語言的 MQTT SDK，除 MQTT over QUIC 外還支援 WebSocket、nanomsg/SP 等多協議
- [NanoSDK-Python](https://github.com/wanghaEMQ/pynng-mqtt)：NanoSDK 的 Python 語言 binding
- [NanoSDK-Java](https://github.com/nanomq/nanosdk-java)：NanoSDK 的 Java JNA binding
- [emqtt](https://github.com/emqx/emqtt)：Erlang 語言的 MQTT 客戶端庫，支援 QUIC

除了客戶端庫之外，EMQ 還在邊緣計算產品 NanoMQ 中提供了 MQTT over QUIC 橋接支援，在特定的應用中您可以藉助 NanoMQ 實現邊緣資料透過 QUIC 橋接上雲，無需過多開發整合即可應用 MQTT over QUIC 的特性。

### 問題與解決

在開發中，考慮到 QUIC 基於 UDP 協議，目前許多運營商仍然對 UDP 包有特殊的路由策略，這往往導致 QUIC 連線無法成功建立或一直被丟包。

因此 MQTT over QUIC 客戶端設計支援了 fallback 能力：API 層能夠使用統一的操作編寫業務，傳輸層則根據網路情況實時切換，當 QUIC 不可用時自動切換為 TCP/TLS 1.2，確保各類網路環境下業務都能正常執行。

## 透過 NanoSDK 完成 MQTT over QUIC 連線

NanoSDK 基於 MsQuic 專案率先實現了第一個 C 語言的 MQTT over QUIC SDK，能無縫相容 EMQX 5.0。內部採用全非同步 IO 設計，將 QUIC Stream 和 MQTT 連線對映繫結，並內建實現了 0RTT 快速握手重連功能，支援多核任務並行。

[![1](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/12/01/5eaa949068948cab.png?x-oss-process=style/bb "1")](https://www.emqx.com/zh/blog/getting-started-with-mqtt-over-quic-from-scratch "1")

### NanoSDK 使用示例

API 方面保持了之前的使用習慣，一行程式碼即可基於 QUIC 建立 MQTT 客戶端：

```reasonml
## Create MQTT over Quic client with NanoSDK
nng_mqtt_quic_client_open(&socket, url);
```

訊息示例程式碼請參考：[NanoSDK](https://github.com/nanomq/NanoSDK/tree/main/demo/quic)

編譯後可以透過以下命令連線 EMQX 5.0 的 14567 埠進行測試。

```smali
quic_client sub/pub mqtt-quic://54.75.171.11:14567 topic msg
```

NanoSDK 也提供 Java 和 Python 的 binding。

## 透過 NanoMQ 橋接完成 MQTT 3.1.1/5.0 與 MQTT over QUIC 的轉換相容

[NanoMQ](https://www.emqx.com/zh/products/nanomq) 是一款超輕量、高效能且跨平臺的邊緣 MQTT 訊息引擎，兼具多協議訊息匯流排功能，支援 MQTT over QUIC 橋接功能。它能夠將傳統 MQTT 客戶端的資料轉換成 QUIC 資料包併發給雲端的 EMQX，從而為無法整合或找到合適 MQTT over QUIC SDK 的端側裝置和難以修改韌體的嵌入式裝置提供在 IoT 場景利用 QUIC 協議優勢的捷徑，降低使用門檻。

[![2](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/12/01/d153871ad190ec95.png?x-oss-process=style/bb "2")](https://www.emqx.com/zh/blog/getting-started-with-mqtt-over-quic-from-scratch "2")

在需要與雲端 MQTT 服務進行資料同步的各種物聯網場景中，透過 NanoMQ 的多協議接入能力，您可以將其作為邊緣訊息匯流排和統一的資料空間，統一匯聚諸如 HTTP、MQTT 3.1.1/5.0、WebSocket、nanomsg/nng 和 ZeroMQ 等常用的 broker/brokerless 訊息協議，再由 NanoMQ 內部強大的 Actor 訊息處理模型轉化成標準的 MQTT 訊息後，透過 QUIC 傳輸層上雲傳輸。

藉此充分利用 MQTT over QUIC 0RTT 快速重連和被動地址切換等功能來克服網際漫遊、弱網傳輸和 TCP 隊頭阻塞等各類常見的物聯網連線問題。您還可以透過 NanoMQ 的規則引擎對資料做重定向、本地快取或持久化。

依靠 EMQX+NanoMQ 的雲邊一體化的訊息架構，使用者能夠快速且低成本的在泛物聯網場景中完成跨時空地域的資料採集和同步需求。

[![3](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/12/01/60a9781a3f9bfbdd.png?x-oss-process=style/bb "3")](https://www.emqx.com/zh/blog/getting-started-with-mqtt-over-quic-from-scratch "3")

值得一提的是，NanoMQ 支援 QUIC 連線失敗時自動切換至標準 MQTT over TCP 橋接的能力，這能夠確保您的使用不受網路環境限制。

### NanoMQ 橋接示例

先下載安裝 NanoMQ。開啟 QUIC 橋接功能的 NanoMQ 編譯安裝完成後，可以在配置檔案`/etc/nanomq.conf`中配置 MQTT over QUIC 橋接功能和對應的主題，使用 `mqtt-quic` 作為 URL 字首即是採用 QUIC 作為 MQTT 的傳輸層：

```clean
## Bridge address: host:port .
##
## Value: String
## Example: ## Example: mqtt-tcp://broker.emqx.io:1883 （這是標準MQTT over TCP）
bridge.mqtt.emqx.address=mqtt-quic://54.75.171.11:14567
```

### MQTT over QUIC CLI 工具

NanoMQ 還提供了 nanomq_cli ，其中包含有 MQTT over QUIC 的客戶端工具供使用者測試 EMQX 5.0 的MQTT over QUIC 功能：

```gherkin
nanomq_cli quic --help
Usage: quic conn <url>
       quic sub  <url> <qos> <topic>
       quic pub  <url> <qos> <topic> <data>

## subscribe example
nanomq_cli quic sub mqtt-quic://54.75.171.11:14567 2 msg
```

綜上所述，您可以直接將 NanoSDK 整合到專案中，亦可以搭配 NanoMQ 使用，實現裝置側到雲端的 QUIC 接入。

## 將 emqtt-bench 用於 QUIC 效能測試

[emqtt-bench](https://github.com/emqx/emqtt-bench) 是一個 MQTT 效能基準測試工具，其同樣提供了 QUIC 支援，我們用它完成了 [MQTT over QUIC vs TCP/TLS](https://www.emqx.com/zh/blog/mqtt-over-quic) 的效能對比測試。使用者可以利用其做應用的 Benchmark，或在實際環境中驗證 MQTT over QUIC 的效能與收益。

### 編譯 emqtt-bench

編譯要求有 Erlang 環境，以 macOS 為例安裝 Erlang 和 Coreutils：

```mipsasm
brew install coreutils 
brew install erlang@24
```

透過原始碼編譯 emqtt-bench

```awk
git clone https://github.com/emqx/emqtt-bench.git 
cd emqtt-bench 
CMAKE_BUILD_TYPE=Debug BUILD_WITH_QUIC=1 make
```

> 可能會遇到如下錯誤，忽略即可：

```gradle
/Users/patilso/emqtt-bench/scripts/rename-package.sh: line 9: gsed: command not found 
/Users/patilso/emqtt-bench/scripts/rename-package.sh: line 9: gsed: command not found 
/Users/patilso/emqtt-bench/scripts/rename-package.sh: line 9: gsed: command not found 
/Users/patilso/emqtt-bench/scripts/rename-package.sh: line 9: gsed: command not found
```

### 測試 QUIC

進入編譯輸出目錄：

```awk
cd _build/emqtt_bench/rel/emqtt_bench/bin
```

透過指定 `--quic` 選項以使用 QUIC 協議發起連線並進行訂閱，此處使用 10 個客戶端訂閱 `t/1` 主題：

```awk
./emqtt_bench sub -p 14567 --quic -t t/1 -c 10
```

新開另一個視窗，同樣使用 QUIC 協議連線並進行釋出測試：

```awk
./emqtt_bench pub -p 14567 --quic -t t/1 -c 1
```

此時將進入 1 pub 10 sub 的效能測試：

[![4](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/12/01/2c808e1820bf58b5.png?x-oss-process=style/bb "4")](https://www.emqx.com/zh/blog/getting-started-with-mqtt-over-quic-from-scratch "4")

檢視本地 UDP 14567 埠使用情況：

```dns
$ lsof -nP -iUDP | grep 14567

com.docke 29372 emqx   76u  IPv6 0xea2092701c033ba9      0t0  UDP *:14567
beam.smp  50496 emqx   39u  IPv6 0xea2092701c014eb9      0t0  UDP [::1]:52335->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   40u  IPv6 0xea2092701c017689      0t0  UDP [::1]:56709->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   41u  IPv6 0xea2092701c0151c9      0t0  UDP [::1]:52175->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   42u  IPv6 0xea2092701c0157e9      0t0  UDP [::1]:54050->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   43u  IPv6 0xea2092701c015af9      0t0  UDP [::1]:58548->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   44u  IPv6 0xea2092701c013639      0t0  UDP [::1]:52819->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   45u  IPv6 0xea2092701c016119      0t0  UDP [::1]:57351->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   46u  IPv6 0xea2092701c017999      0t0  UDP [::1]:52353->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   47u  IPv6 0xea2092701c017ca9      0t0  UDP [::1]:57640->[::1]:14567
beam.smp  50496 emqx   48u  IPv6 0xea2092701c014ba9      0t0  UDP [::1]:55992->[::1]:14567
beam.smp  51015 emqx   39u  IPv6 0xea2092701c017069      0t0  UDP [::1]:64686->[::1]:14567
```

如果你對 emqtt-bench 感興趣，可以檢視更多命令列幫助：

```bash
./emqtt_bench pub –help

./emqtt_bench conn –help

./emqtt_bench --help
```

## 結語

以上就是 MQTT over QUIC 的初步體驗，可見從 API 和管理層面，客戶端庫以及 EMQX 能夠做到與 MQTT 一致的體驗，僅替換傳輸層以充分利用 QUIC 特性，這極大方便了開發者的使用以及 MQTT over QUIC 的普及。

隨著對 MQTT over QUIC 在實際場景中的深入使用，使用者也將能感受到其所具備的更高階的擁塞控制、連線平滑遷移、端到端加密、減少握手延遲等優勢特性。在後續的推送中，我們也將對這些特性背後的技術原理以及最佳實踐進行詳細解讀，敬請關注。

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>
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從零開始上手 MQTT over QUIC：快速體驗下一代物聯網標準協議

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