MQTT Protokoll: Asjade Interneti Sõnumijärjekordade Selgroog

Asjade internet (ingl. k. Internet of Things, IoT) on revolutsioneerinud tööstusharusid üle maailma, ühendades miljardeid seadmeid ja võimaldades enneolematut automatiseerimist, andmete kogumist ja kaugjuhtimist. Selle revolutsiooni keskmes on vajadus tõhusa ja usaldusväärse side järele nende seadmete vahel. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) on kujunenud asjade interneti sõnumside de facto standardprotokolliks, pakkudes kergekaalulist ja paindlikku lahendust piiratud ressursside ja ribalaiusega seadmete ühendamiseks.

Mis on MQTT?

MQTT on kergekaaluline avalda-telli võrguprotokoll, mis edastab sõnumeid seadmete vahel. See on loodud ühendusteks kaugemates asukohtades, kus ribalaius on piiratud, näiteks masinatevahelises (M2M) ja asjade interneti keskkondades. Selle lihtsus ja tõhusus muudavad selle ideaalseks paljude rakenduste jaoks, alates koduautomaatikast kuni tööstuslike juhtimissüsteemideni.

MQTT Põhiomadused:

• Kergekaaluline: MQTT-l on väike koodimaht ja see nõuab minimaalset ribalaiust, mis muudab selle sobivaks piiratud ressurssidega seadmetele.
• Avalda-telli: MQTT kasutab avalda-telli mudelit, mis eraldab sõnumite saatjad (avaldajad) sõnumite vastuvõtjatest (tellijad). See võimaldab paindlikku ja skaleeritavat kommunikatsiooni.
• Teenusekvaliteet (QoS): MQTT pakub kolme teenusekvaliteedi taset, et tagada sõnumite kohaletoimetamise usaldusväärsus isegi ebausaldusväärsetes võrgutingimustes.
• Püsiseansid: MQTT toetab püsiseansse, mis võimaldavad klientidel uuesti ühenduda ja sidet jätkata ilma sõnumeid kaotamata.
• Viimne tahe ja testament: MQTT võimaldab klientidel määratleda "viimse tahte ja testamendi" sõnumi, mille maakler avaldab, kui klient ootamatult ühenduse katkestab.
• Turvalisus: MQTT toetab krüpteerimist ja autentimist tundlike andmete kaitsmiseks.

MQTT Arhitektuur

MQTT järgib avalda-telli arhitektuuri, mis hõlmab kolme põhikomponenti:

• MQTT Kliendid: Need on seadmed või rakendused, mis ühenduvad MQTT maakleriga ja kas avaldavad sõnumeid või tellivad teemasid. Klientideks võivad olla mis tahes seadmed alates anduritest ja täituritest kuni mobiilirakenduste ja serveripoolsete rakendusteni.
• MQTT Maakler: See on keskne sõlmpunkt, mis võtab vastu sõnumeid avaldajatelt ja edastab need tellijatele nende teematellimuste alusel. Maakler vastutab kliendiühenduste haldamise, sõnumite marsruutimise ja sõnumite kohaletoimetamise tagamise eest vastavalt määratud QoS-i tasemele. Populaarsed MQTT maaklerid on Mosquitto, HiveMQ ja EMQX.
• Teemad: Teemad on hierarhilised stringid, mida kasutatakse sõnumite kategoriseerimiseks. Avaldajad saadavad sõnumeid kindlatele teemadele ja tellijad tellivad teemasid sõnumite vastuvõtmiseks. Teemad võimaldavad paindlikku ja detailset sõnumite marsruutimist. Näiteks võib teema temperatuurinäitude jaoks kindlas toas asuvast andurist olla "andurid/tuba1/temperatuur".

Avalda-telli mudel eraldab avaldajad ja tellijad, võimaldades paindlikku ja skaleeritavat kommunikatsiooni. Avaldajad ei pea teadma, kes nende sõnumeid tellib, ja tellijad ei pea teadma, kes sõnumeid avaldab. See muudab klientide lisamise või eemaldamise lihtsaks ilma kogu süsteemi mõjutamata.

MQTT Teenusekvaliteedi (QoS) Tasemed

MQTT määratleb kolm teenusekvaliteedi (QoS) taset, et tagada sõnumite kohaletoimetamise usaldusväärsus:

• QoS 0 (Kõige rohkem üks kord): See on kõige lihtsam ja kiirem QoS-i tase. Sõnum saadetakse üks kord ja kinnitust ei nõuta. Sõnum võib kaduma minna, kui võrguühendus on ebausaldusväärne. Seda nimetatakse sageli "saada ja unusta" põhimõtteks.
• QoS 1 (Vähemalt üks kord): Sõnum toimetatakse tellijale garanteeritult vähemalt üks kord. Avaldaja edastab sõnumit uuesti, kuni saab maaklerilt kinnituse (PUBACK). Sõnum võidakse edastada mitu korda, kui kinnitus läheb kaduma.
• QoS 2 (Täpselt üks kord): Sõnum toimetatakse tellijale garanteeritult täpselt üks kord. See on kõrgeim QoS-i tase ja pakub kõige usaldusväärsemat sõnumite kohaletoimetamist. See hõlmab neljaosalist kätlemist avaldaja, maakleri ja tellija vahel, et tagada sõnumi mitte dubleerimine.

QoS-i taseme valik sõltub rakenduse nõuetest. Rakenduste puhul, kus sõnumikadu on vastuvõetav, võib QoS 0 olla piisav. Rakenduste puhul, kus sõnumite kohaletoimetamine on kriitilise tähtsusega, on soovitatav QoS 2.

MQTT Kasutamise Eelised

MQTT pakub asjade interneti rakenduste jaoks mitmeid eeliseid:

• Madal Ribalaiuse Kulu: MQTT kergekaalulisus muudab selle ideaalseks piiratud võrgukeskkondade jaoks, nagu mobiil- või satelliitühendused. See on ülioluline asjade interneti seadmetele, mis töötavad kaugemates asukohtades piiratud ribalaiusega.
• Skaleeritavus: Avalda-telli mudel võimaldab väga skaleeritavaid süsteeme, kuna uusi kliente saab hõlpsasti lisada või eemaldada ilma kogu süsteemi mõjutamata. See on oluline asjade interneti juurutuste jaoks, mis hõlmavad suurt hulka seadmeid.
• Usaldusväärsus: MQTT QoS-i tasemed tagavad sõnumite kohaletoimetamise usaldusväärsuse isegi ebausaldusväärsetes võrgutingimustes. See on kriitiline rakenduste jaoks, kus andmekadu on vastuvõetamatu.
• Paindlikkus: MQTT-d saab kasutada erinevate programmeerimiskeelte ja platvormidega, mis teeb selle integreerimise olemasolevatesse süsteemidesse lihtsaks.
• Turvalisus: MQTT toetab krüpteerimist ja autentimist tundlike andmete kaitsmiseks. See on oluline asjade interneti rakenduste jaoks, mis käsitlevad isiklikku või konfidentsiaalset teavet.
• Madal Energiatarve: Väikeste sõnumite ja tõhusa võrgukasutuse tõttu võib MQTT märkimisväärselt pikendada akutoitel töötavate asjade interneti seadmete akuiga.

MQTT Kasutusjuhud ja Rakendused

MQTT-d kasutatakse laias valikus asjade interneti rakendustes erinevates tööstusharudes:

Targa Kodu Automaatika:

MQTT võimaldab sidet targa kodu seadmete, näiteks tulede, termostaatide ja turvasüsteemide vahel. Näiteks saab tark termostaat avaldada temperatuurinäite MQTT maaklerile ning mobiilirakendus saab neid näite tellida, et kuvada hetketemperatuuri ja lubada kasutajatel termostaadi seadeid muuta. Tark valgustussüsteem võib kasutada MQTT-d, et keskne kontroller saaks tulesid sisse või välja lülitada anduriandmete või kasutaja käskude alusel. MQTT madal lisakulu on akutoitel andurite jaoks ülioluline.

Tööstuslik Asjade Internet (IIoT):

MQTT hõlbustab andmete kogumist ja kontrolli tööstuskeskkondades. Tootmisseadmete andurid saavad avaldada andmeid MQTT maaklerile, mida saab seejärel kasutada reaalajas jälgimiseks, ennetavaks hoolduseks ja protsesside optimeerimiseks. Näiteks võib Saksamaal asuv tehas kasutada MQTT-d oma robotkäte jõudluse jälgimiseks, kogudes andmeid mootori temperatuuri, vibratsiooni ja energiatarbimise kohta. Neid andmeid saab kasutada võimalike probleemide tuvastamiseks enne, kui need põhjustavad seadmete rikkeid. Samamoodi saab nutikas põllumajandussüsteem kasutada MQTT-d, et edastada anduriandmeid mulla niiskuse, temperatuuri ja väetise taseme kohta Brasiilia põldudelt tagasi kesksele töötlemisjaamale. Seda teavet saab analüüsida niisutus- ja väetamiskavade optimeerimiseks.

Sõidukite Telemaatika:

MQTT võimaldab sidet sõidukite ja pilveplatvormide vahel selliste rakenduste jaoks nagu sõidukite jälgimine, kaugdiagnostika ja infotainment. Telemaatikaseade autos saab avaldada GPS-asukoha, kiiruse ja mootori andmed MQTT maaklerile, mida saab seejärel kasutada sõiduki asukoha jälgimiseks ja selle jõudluse monitoorimiseks. Laevastiku haldussüsteemid üle maailma kasutavad MQTT-d marsruutide optimeerimiseks, juhi ohutuse parandamiseks ja kütusekulu vähendamiseks.

Energiahaldus:

MQTT hõlbustab andmete kogumist ja kontrolli energiahaldussüsteemides. Nutikad arvestid saavad avaldada energiatarbimise andmeid MQTT maaklerile, mida saab seejärel kasutada arveldamiseks, tarbimise juhtimiseks ja võrgu optimeerimiseks. Näiteks võib Jaapanis asuv kommunaalettevõte kasutada MQTT-d majapidamiste ja ettevõtete energiatarbimise jälgimiseks, mis võimaldab neil optimeerida energiajaotust ja vähendada tippnõudlust.

Tervishoiu Järelevalve:

MQTT võimaldab patsientide kaugjälgimist ja telemeditsiini rakendusi. Kantavad andurid saavad avaldada elutähtsate näitajate andmeid MQTT maaklerile, mida tervishoiuteenuse osutajad saavad seejärel kasutada patsientide tervise jälgimiseks ja õigeaegsete sekkumiste pakkumiseks. Patsientide kaugjälgimissüsteemid suurte maapiirkondadega riikides, nagu India või Hiina, tuginevad MQTT-le, et edastada elutähtsate näitajate andmeid patsientide kodudest kesksetesse jälgimisjaamadesse, võimaldades arstidel pakkuda kaugkonsultatsioone ja hallata kroonilisi haigusi.

MQTT Rakendamine: Parimad Tavad

MQTT rakendamisel arvestage järgmiste parimate tavadega:

• Valige õige maakler: Valige MQTT maakler, mis vastab teie rakenduse nõuetele skaleeritavuse, usaldusväärsuse ja turvalisuse osas. Arvestage selliste teguritega nagu sõnumite läbilaskevõime, samaaegsete ühenduste arv ja turvafunktsioonide, näiteks TLS/SSL krüpteerimise ja autentimise tugi.
• Kujundage hästi määratletud teemahierarhia: Kasutage selget ja järjepidevat teemahierarhiat sõnumite organiseerimiseks ja tõhusa marsruutimise tagamiseks. Vältige liiga keerulisi või mitmetähenduslikke teemastruktuure. Näiteks kasutage struktuuri nagu "ettevõte/asukoht/seadme_tüüp/seadme_id/anduri_nimi", et selgelt identifitseerida andmete päritolu ja tüüp.
• Valige sobiv QoS-i tase: Valige sobiv QoS-i tase vastavalt oma rakenduse nõuetele sõnumite kohaletoimetamise usaldusväärsuse osas. Kaaluge usaldusväärsuse ja jõudluse vahelisi kompromisse. Kasutage QoS 0 mittekriitiliste andmete jaoks, QoS 1 andmete jaoks, mis tuleb kohale toimetada vähemalt üks kord, ja QoS 2 andmete jaoks, mis nõuavad garanteeritud kohaletoimetamist.
• Rakendage turvameetmeid: Turvake oma MQTT juurutus, kasutades side jaoks TLS/SSL krüpteerimist ja autentimismehhanisme klientide identiteedi kontrollimiseks. Kasutage tugevaid paroole ja uuendage regulaarselt turvasertifikaate.
• Optimeerige sõnumi andmemahu suurust: Minimeerige sõnumite andmemahtude suurust, et vähendada ribalaiuse kulu ja parandada jõudlust. Kasutage tõhusaid andmete serialiseerimisvorminguid nagu Protocol Buffers või JSON koos tihendamisega.
• Käsitlege ühenduse katkemisi sujuvalt: Rakendage mehhanisme kliendi ühenduse katkemiste sujuvaks käsitlemiseks, näiteks kasutades püsiseansse ja viimse tahte ja testamendi sõnumeid. See tagab, et andmed ei lähe kaduma ja et tellijaid teavitatakse ootamatutest ühenduse katkemistest.
• Jälgige ja analüüsige jõudlust: Jälgige oma MQTT juurutuse jõudlust, et tuvastada võimalikke kitsaskohti ja optimeerida ressursside kasutamist. Kasutage jälgimisvahendeid, et jälgida mõõdikuid nagu sõnumite läbilaskevõime, latentsus ja ühenduste statistika.

MQTT Turvalisuse Kaalutlused

Turvalisus on asjade interneti juurutustes esmatähtis. Siin on olulised turvalisuse kaalutlused MQTT jaoks:

• TLS/SSL Krüpteerimine: Krüpteerige side klientide ja maakleri vahel, kasutades TLS/SSL-i, et kaitsta andmeid pealtkuulamise eest. See tagab, et tundlikke andmeid ei edastata lihttekstina.
• Autentimine: Rakendage autentimismehhanisme klientide identiteedi kontrollimiseks. Kasutage kasutajanime/parooli autentimist, kliendisertifikaate või muid autentimismeetodeid volitamata juurdepääsu vältimiseks.
• Autoriseerimine: Rakendage autoriseerimispoliitikaid, et kontrollida, millised kliendid saavad avaldada ja tellida konkreetseid teemasid. See takistab volitamata klientidel andmetele juurdepääsu või nende muutmist.
• Sisendi Valideerimine: Valideerige klientidelt saadud andmeid, et vältida süstimisrünnakuid. Veenduge enne andmete töötlemist, et need vastavad oodatud vormingutele ja vahemikele.
• Regulaarsed Turvaauditid: Viige läbi regulaarseid turvaauditeid, et tuvastada ja parandada haavatavusi. Hoidke tarkvara ja püsivara ajakohasena uusimate turvapaikadega.
• Turvaline Maakleri Konfiguratsioon: Veenduge, et MQTT maakler on turvaliselt konfigureeritud, keelates mittevajalikud funktsioonid ja kasutades tugevaid paroole. Vaadake üle maakleri dokumentatsioon turvalisuse parimate tavade kohta.

MQTT vs. Teised IoT Protokollid

Kuigi MQTT on asjade interneti sõnumside domineeriv protokoll, on olemas ka teisi protokolle, millest igaühel on oma tugevused ja nõrkused. MQTT võrdlemine mõne alternatiiviga aitab mõista selle positsiooni:

• HTTP (Hypertext Transfer Protocol): HTTP on laialdaselt kasutatav protokoll veebisuhtluseks, kuid on asjade interneti jaoks vähem tõhus oma suurema lisakulu tõttu. MQTT on üldiselt eelistatud oma madalama ribalaiuse kulu ja reaalajas toimivate võimete tõttu. HTTP on päringu/vastuse põhine, samas kui MQTT on sündmuspõhine.
• CoAP (Constrained Application Protocol): CoAP on kergekaaluline protokoll, mis on loodud piiratud seadmetele, sarnaselt MQTT-le. Siiski on MQTT laialdasemalt kasutusel ja sellel on suurem ökosüsteem. CoAP kasutab UDP-d, mis muudab selle sobivaks väga madala energiatarbega seadmetele, kuid see vajab ka lisafunktsionaalsust usaldusväärsuse saavutamiseks.
• AMQP (Advanced Message Queuing Protocol): AMQP on MQTT-st robustsem sõnumsideprotokoll, mis pakub täiustatud funktsioone nagu sõnumite marsruutimine ja tehingute haldamine. Siiski on AMQP keerulisem ja nõuab rohkem ressursse kui MQTT. AMQP on levinud finantssektoris.
• WebSockets: WebSockets pakub täisduplekskommunikatsiooni ühe TCP-ühenduse kaudu, mis teeb need sobivaks reaalajas rakenduste jaoks. Siiski on WebSocketsil suurem lisakulu kui MQTT-l ja need ei ole nii hästi sobivad piiratud ressurssidega seadmetele. WebSockets'e kasutatakse tavaliselt veebibrauseri rakendustes, mis suhtlevad taustasüsteemidega.

Protokolli valik sõltub rakenduse konkreetsetest nõuetest. MQTT on hea valik rakenduste jaoks, mis nõuavad kergekaalulist, usaldusväärset ja skaleeritavat sõnumside, samas kui teised protokollid võivad olla sobivamad erinevate nõuetega rakenduste jaoks.

MQTT Tulevik Asjade Internetis

Eeldatakse, et MQTT mängib ka tulevikus asjade interneti arengus üliolulist rolli. Kuna ühendatud seadmete arv jätkab kasvamist, muutub vajadus tõhusate ja usaldusväärsete sideprotokollide järele veelgi olulisemaks. MQTT kergekaalulisus, skaleeritavus ja usaldusväärsus muudavad selle hästi sobivaks tulevaste asjade interneti juurutuste nõudmiste täitmiseks.

Mitmed suundumused peaksid kujundama MQTT tulevikku:

• Ääretöötlus (Edge Computing): MQTT-d hakatakse üha enam kasutama ääretöötluse stsenaariumides, kus andmeid töödeldakse allikale lähemal. See vähendab latentsust ja ribalaiuse kulu.
• 5G Ühenduvus: 5G tulek võimaldab asjade interneti seadmetele kiiremat ja usaldusväärsemat sidet, suurendades veelgi MQTT võimekust.
• Standardimine: Jätkuvad jõupingutused MQTT standardimiseks parandavad koostalitlusvõimet ja hõlbustavad laiemat kasutuselevõttu.
• Täiustatud Turvalisus: Turvafunktsioonide jätkuv arendamine tagab, et MQTT jääb asjade interneti side jaoks turvaliseks protokolliks.
• Integratsioon Pilveplatvormidega: Tihedam integratsioon pilveplatvormidega muudab MQTT abil kogutud asjade interneti seadmete andmete haldamise ja analüüsimise lihtsamaks.

Kokkuvõte

MQTT on muutunud asjade interneti jaoks asendamatuks protokolliks, pakkudes kergekaalulist, usaldusväärset ja skaleeritavat lahendust seadmete ühendamiseks ja sujuva andmevahetuse võimaldamiseks. Selle avalda-telli arhitektuur, QoS-i tasemed ja turvafunktsioonid muudavad selle hästi sobivaks laia valiku rakenduste jaoks, alates targa kodu automaatikast kuni tööstuslike juhtimissüsteemideni. Mõistes MQTT põhimõtteid ja järgides rakendamise parimaid tavasid, saavad arendajad ja organisatsioonid kasutada selle võimsust innovaatiliste asjade interneti lahenduste loomiseks, mis suurendavad tõhusust, parandavad otsuste tegemist ja muudavad tööstusharusid üle maailma.

Kuna asjade interneti maastik jätkab arenemist, jääb MQTT ühendatud seadmete kommunikatsiooni nurgakiviks, kohanedes uute väljakutsetega ja võimaldades järgmise põlvkonna asjade interneti rakendusi. MQTT mõistmine ja valdamine on oluline kõigile, kes on seotud asjade interneti lahenduste kavandamise, arendamise või juurutamisega.