参照用テストシナリオと結果
本ページでは、さまざまなシナリオ下で実施した一連のベンチマークテストに基づくEMQXの詳細なパフォーマンス分析を示します。評価では、QoS（サービス品質）レベルの違い、ペイロードサイズ、パブリッシュ・サブスクライブモデル、およびMQTTメッセージブリッジングの影響など、異なる条件におけるEMQXの挙動と能力を検証しています。
厳密なテストと測定を通じて、これらの結果は実際の環境でのEMQXの性能に関する実用的な知見を提供し、IoTアプリケーション向けのEMQXデプロイメント最適化の指針となります。
テスト環境
本節のすべてのテストは、単一ノードにデプロイされたオープンソース版のEMQX v5.1.6を対象としています。EMQXとテストサーバー間にはピアリング接続を構築し、外部ネットワークのレイテンシ干渉を排除しています。EMQXを稼働させるサーバーの仕様は以下の通りです。
- CPU: 4vCPU（Intel Xeon Platinum 8378A CPU @ 3.00GHz）
- メモリ: 8 GiB
- システムディスク: General Purpose SSD | 40 GiB
- 最大帯域幅: 8 Gbit/s
- 最大パケット毎秒数: 800,000 PPS
- OS: CentOS 7.9
ファンインシナリオを除き、メッセージ送受信に使用するテストクライアント数は他のシナリオでは10台です。ファンインシナリオでは20台のテストクライアントを使用しています。
テストシナリオと結果
シナリオ1：異なるQoSにおけるEMQXのパフォーマンス
MQTTパケットのやり取りはQoSレベルが高くなるほど複雑になり、メッセージ配信時のシステムリソース消費が増加します。したがって、各QoSレベルのパフォーマンス影響を理解することが重要です。
本シナリオでは、1,000台のパブリッシャーと1,000台のサブスクライバーによる1対1通信を行い、128バイトのペイロードメッセージを使用しました。つまり、合計1,000のトピックがあり、各トピックに1つのパブリッシャーと1つのサブスクライバーが存在します。
メッセージのパブリッシュレートを徐々に増加させて負荷を上げ、各負荷条件で5分間EMQXを稼働させて動作の安定性を確認しました。異なるQoSレベルおよび負荷条件下でのEMQXのパフォーマンスとリソース消費（平均メッセージレイテンシ、P99メッセージレイテンシ、平均CPU使用率など）を記録しています。
最終的なテスト結果は以下の通りです。
レイテンシとは、メッセージがパブリッシュされてから受信されるまでの時間を指します。スループットはメッセージのインバウンドスループットとアウトバウンドスループットから構成されます。
これらの結果から、同等の負荷条件下でQoSレベルが高くなるほど平均CPU使用率が増加することが分かります。したがって、同じシステムリソースではQoSレベルが高いほどスループットは相対的に低下します。
平均CPU使用率約75％を推奨される日常負荷と仮定すると、提供されたハードウェアおよびテストシナリオにおける推奨負荷は、QoS 0で約57K TPS、QoS 1で約40K TPS、QoS 2で約24K TPSとなります。以下はCPU使用率が75％に最も近いテストポイントのパフォーマンスデータです。
| QoSレベル | 推奨負荷（TPS、イン＋アウト） | 平均CPU使用率（％、1-アイドル） | 平均メモリ使用率（％） | 平均レイテンシ（ms） | P99レイテンシ（ms） |
|---|---|---|---|---|---|
| QoS 0 | 60K | 78.13 | 6.27 | 2.079 | 8.327 |
| QoS 1 | 40K | 75.56 | 6.82 | 2.356 | 9.485 |
| QoS 2 | 20K | 69.06 | 6.39 | 2.025 | 8.702 |
シナリオ2：異なるペイロードサイズにおけるEMQXのパフォーマンス
大きなメッセージペイロードは、OSがネットワークパケットを受信・送信するためのソフト割り込みを多く必要とし、パケットのシリアライズ・デシリアライズにかかる計算リソースも増加します。ほとんどのMQTTメッセージは通常1KB未満ですが、より大きなメッセージを送信する必要があるシナリオも存在します。そこで、ペイロードサイズの違いによるパフォーマンス影響を検証しました。
引き続き1,000台のパブリッシャーと1,000台のサブスクライバーによる1対1通信を行い、メッセージのQoSは1に固定、パブリッシュレートは20K msg/sに固定しました。ペイロードサイズを増加させて負荷を上げ、各負荷条件で5分間EMQXを稼働させて安定性を検証しました。各負荷条件下のEMQXのパフォーマンスとリソース使用率を記録しています。
結果は以下の通りです。
ペイロードが大きくなるにつれてCPU使用率は徐々に上昇し、メッセージのエンドツーエンドレイテンシも比較的緩やかに増加しています。ただし、ペイロードサイズが8KBに達しても、平均レイテンシは10ミリ秒未満、P99レイテンシは20ミリ秒未満を維持できています。
| ペイロードサイズ（KB） | 推奨負荷（TPS、イン＋アウト） | 平均CPU使用率（％、1-アイドル） | 平均メモリ使用率（％） | 平均レイテンシ（ms） | P99レイテンシ（ms） |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 40K | 75.9 | 6.23 | 3.282 | 12.519 |
| 8 | 40K | 90.82 | 9.38 | 5.884 | 17.435 |
したがって、QoSレベルに加えてペイロードサイズも重要な検討要素です。ここでテストしたよりも大きなペイロードサイズを扱う場合は、より高いハードウェア構成が必要になる可能性があります。
シナリオ3：異なるパブリッシュ・サブスクライブモデルにおけるEMQXのパフォーマンス
MQTTのパブリッシュ・サブスクライブ機構は、ビジネス要件に応じて柔軟にモデルを調整できます。代表的なシナリオにはファンイン、ファンアウト、シンメトリックモデルがあります。
- ファンインモデルでは、多数のセンサー機器がパブリッシャーとして動作し、少数または単一のバックエンドアプリケーションがサブスクライバーとしてセンサーデータを蓄積・解析します。
- ファンアウトモデルでは、少数のパブリッシャーから多数のサブスクライバーへメッセージをブロードキャストします。
- シンメトリックモデルでは、パブリッシャーとサブスクライバーが1対1で通信します。
MQTTブローカーのパフォーマンスは、これら異なるパブリッシュ・サブスクライブシナリオで若干異なることが多く、以下のテストで確認します。
ファンインシナリオでは、2,000台のパブリッシャーと100台のサブスクライバーを設定し、100台のパブリッシャーのメッセージを5台のサブスクライバーが共有サブスクリプションで消費します。
ファンアウトシナリオでは、10台のパブリッシャーと2,000台のサブスクライバーを設定し、各パブリッシャーのメッセージを200台のサブスクライバーが通常サブスクリプションで受信します。シンメトリックシナリオは前述のテストと同様です。
ファンアウトシナリオは他の2つのシナリオよりインバウンドメッセージ数が少ないため、負荷を同等またはほぼ同等に保って比較しました。例えば、ファンアウトシナリオのインバウンド100 msg/s、アウトバウンド20K msg/sは、シンメトリックシナリオのインバウンド10K msg/s、アウトバウンド10K msg/sに相当します。
メッセージのQoSレベルを1、ペイロードサイズを128バイトに固定し、最終的なテスト結果は以下の通りです。
メッセージレイテンシのみを考慮すると、3つのシナリオのパフォーマンスは非常に近いことが分かります。さらに、同じ負荷条件下ではファンアウトシナリオのCPU消費が一貫して低くなっています。したがって、CPU使用率75％を閾値とした場合、ファンアウトシナリオが他の2つより高いスループットを達成できることが明らかです。
| シナリオ | 推奨負荷（TPS、イン＋アウト） | 平均CPU使用率（％、1-アイドル） | 平均メモリ使用率（％） | 平均レイテンシ（ms） | P99レイテンシ（ms） |
|---|---|---|---|---|---|
| ファンイン | 30K | 74.96 | 6.71 | 1.75 | 7.651 |
| ファンアウト | 50K | 71.25 | 6.41 | 3.493 | 8.614 |
| シンメトリック | 40K | 75.56 | 6.82 | 2.356 | 9.485 |
シナリオ4：ブリッジング時のEMQXパフォーマンス
MQTTブリッジングは、あるMQTTサーバーから別のMQTTサーバーへメッセージを転送する機能であり、エッジゲートウェイからクラウドサーバーへのメッセージ集約や、2つのMQTTクラスター間のメッセージ相互接続など多様なユースケースに利用されます。
本テストシナリオでは、MQTTサーバー1に接続された500台のパブリッシャーがパブリッシュしたメッセージをMQTTサーバー2へブリッジし、MQTTサーバー2に接続された500台のサブスクライバーが受信します。同時に、MQTTサーバー2に接続された別の500台のパブリッシャーがパブリッシュしたメッセージをMQTTサーバー1に接続された500台のサブスクライバーが受信します。
この構成により、クライアントのメッセージパブリッシュレートが同一であれば、EMQX内のインバウンドおよびアウトバウンドメッセージレートはブリッジなしのシンメトリックシナリオに近くなり、両者のパフォーマンス比較が可能となります。
メッセージのQoSレベルを1、ペイロードサイズを128バイトに固定し、最終的なテスト結果は以下の通りです。
ブリッジングはメッセージ配信過程に追加のリレーを挟むため、エンドツーエンドのメッセージレイテンシが増加します。加えて、CPU消費も増加します。テスト結果はこれらの傾向を裏付けています。本テストで使用したハードウェア仕様に基づき、平均CPU使用率が約75％となるブリッジングシナリオの推奨負荷は約25K TPSです。CPU使用率の差が最も小さいデータポイントのテスト結果は以下の通りです。
| 推奨負荷（TPS、イン＋アウト） | 平均CPU使用率（％、1-アイドル） | 平均メモリ使用率（％） | 平均レイテンシ（ms） | P99レイテンシ（ms） |
|---|---|---|---|---|
| 30K | 82.09 | 5.6 | 5.547 | 17.004 |