IoT protokolai: MQTT vs CoAP – išsamus pasaulinis vadovas, padėsiantis tinkamai pasirinkti

Daiktų internetas (IoT) sparčiai keičia pramonės šakas ir kasdienį gyvenimą visuose žemynuose – nuo išmaniųjų miestų Azijoje iki tiksliosios žemdirbystės Europoje ir susietų sveikatos sprendimų Šiaurės Amerikoje. Šios pasaulinės transformacijos pagrindas – daugybės įrenginių gebėjimas sklandžiai ir efektyviai bendrauti. Šį ryšį reglamentuoja daiktų interneto protokolai, kurie iš esmės yra kalbos, kuriomis įrenginiai kalbasi tarpusavyje ir su debesija. Tarp gausybės galimų protokolų du išsiskiria plačiu pritaikymu ir tinkamumu unikaliems daiktų interneto iššūkiams: Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) ir Constrained Application Protocol (CoAP).

Tinkamo protokolo pasirinkimas yra esminis sprendimas, turintis įtakos sistemos architektūrai, masteliui, patikimumui ir, galiausiai, daiktų interneto diegimo sėkmei. Šiame išsamiame vadove gilinsimės į MQTT ir CoAP, nagrinėsime jų pagrindines savybes, tirsime idealius naudojimo atvejus su pasauliniais pavyzdžiais ir pateiksime tvirtą pagrindą, padėsiantį priimti pagrįstą sprendimą pagal jūsų specifinius daiktų interneto poreikius, nepriklausomai nuo to, kur vykdomos jūsų operacijos.

Daiktų interneto protokolų esmės supratimas

Prieš pradedant detalų palyginimą, svarbu suprasti, kodėl specializuoti protokolai yra būtini daiktų internetui. Skirtingai nuo tradicinio interneto ryšio, daiktų interneto aplinkos dažnai pasižymi unikaliais apribojimais:

• Ribotų išteklių įrenginiai: Daugelis daiktų interneto įrenginių, pavyzdžiui, jutikliai ar maži vykdikliai, turi ribotą atmintį, apdorojimo galią ir baterijos veikimo laiką. Jie negali sau leisti naudoti pilnaverčio HTTP ar kitų sunkių protokolų pridėtinių išlaidų.
• Nepatikimi tinklai: Daiktų interneto įrenginiai dažnai veikia aplinkoje su nutrūkstamu ryšiu, mažu pralaidumu ar didele delsa (pvz., kaimo vietovėse, pramoninėse zonose, nuotolinio stebėjimo vietose).
• Mastelis: Daiktų interneto sprendimas gali apimti tūkstančius ar net milijonus įrenginių, generuojančių didžiulius duomenų kiekius, todėl reikalingi protokolai, galintys efektyviai valdyti tokį mastelį.
• Saugumas: Slaptų duomenų perdavimas iš nuotolinių vietų reikalauja patikimų saugumo mechanizmų, siekiant išvengti neteisėtos prieigos ir duomenų klastojimo.
• Sąveikumas: Skirtingų gamintojų įrenginiai turi efektyviai bendrauti, todėl reikalingi standartizuoti ryšio metodai.

MQTT ir CoAP buvo specialiai sukurti šiems iššūkiams spręsti, siūlant lengvus, efektyvius ir patikimus ryšio mechanizmus, pritaikytus įvairialypiam daiktų interneto kraštovaizdžiui.

MQTT: publikavimo-prenumeravimo galiūnas

Kas yra MQTT?

MQTT, OASIS standartas, yra lengvas publikavimo-prenumeravimo pranešimų protokolas, skirtas ribotų galimybių įrenginiams ir mažo pralaidumo, didelės delsos ar nepatikimiems tinklams. Sukurtas IBM ir Arcom 1999 metais, jis tapo daugelio didelio masto daiktų interneto diegimų kertiniu akmeniu dėl savo paprastumo ir efektyvumo.

Pagrindinės MQTT savybės

MQTT veikimo modelis iš esmės skiriasi nuo tradicinių kliento-serverio paradigmų. Štai jo pagrindinių savybių apžvalga:

• Publikavimo-prenumeravimo pranešimų modelis:
  • Užuot tiesiogiai kreipęsi vieni į kitus, klientai (įrenginiai) jungiasi prie MQTT brokerio.
  • Klientai gali veikti kaip publikuotojai, siunčiantys pranešimus konkrečiomis temomis (pvz., "pastatas/1aukštas/2kambarys/temperatūra").
  • Klientai taip pat gali veikti kaip prenumeratoriai, nurodydami savo susidomėjimą gauti pranešimus iš konkrečių temų.
  • Brokeris yra centrinis mazgas, kuris gauna visus pranešimus iš publikuotojų ir persiunčia juos visiems užsiprenumeravusiems klientams. Šis publikuotojų ir prenumeratorių atskyrimas yra didelis privalumas mastelio ir lankstumo požiūriu.
• Lengvas ir efektyvus:
  • MQTT antraštė yra minimali, todėl ji labai efektyvi mažo pralaidumo tinkluose. Tipiškas MQTT valdymo paketas gali būti vos 2 baitų dydžio.
  • Jis veikia per TCP/IP, užtikrinant patikimą, tvarkingą ir klaidų patikrintą pranešimų pristatymą transporto lygmenyje.
• Paslaugų kokybės (QoS) lygiai: MQTT siūlo tris QoS lygius, leidžiančius kūrėjams subalansuoti patikimumą ir tinklo pridėtines išlaidas:
  • QoS 0 (Daugiausiai kartą): Pranešimai siunčiami be patvirtinimo. Tai greičiausias, bet mažiausiai patikimas variantas, tinkamas nekritiniams duomenims, pvz., aplinkos apšvietimo rodmenims, kai praleistas retkarčiais atnaujinimas yra priimtinas.
  • QoS 1 (Bent kartą): Užtikrinama, kad pranešimai atvyks, bet gali pasitaikyti dublikatų. Siuntėjas siunčia pranešimą iš naujo, kol gaunamas patvirtinimas. Tai geras balansas daugeliui daiktų interneto programų, tokių kaip būsenos atnaujinimai.
  • QoS 2 (Lygiai kartą): Užtikrinama, kad pranešimai atvyks lygiai vieną kartą. Tai lėčiausias, bet patikimiausias variantas, apimantis dviejų fazių patvirtinimą tarp siuntėjo ir gavėjo. Jis yra būtinas kritinėms komandoms ar finansinėms operacijoms.
• Sesijos išsaugojimas ir „Paskutinė valia ir testamentas“:
  • Klientai gali sukurti nuolatines sesijas su brokeriu, leidžiančias išlaikyti prenumeratas net ir klientui atsijungus. Kai klientas vėl prisijungia, jis gauna visus pranešimus, kurie buvo paskelbti, kol jis buvo neprisijungęs.
  • Funkcija „Paskutinė valia ir testamentas“ (LWT) leidžia klientui informuoti brokerį apie pranešimą, kurį reikia paskelbti tam tikra tema, jei klientas netikėtai atsijungia (pvz., dėl elektros energijos tiekimo nutraukimo). Tai neįkainojama nuotoliniam stebėjimui, nurodant įrenginio gedimus ar sutrikimus.
• Saugumas: MQTT palaiko TLS/SSL šifravimą saugiam ryšiui tarp klientų ir brokerio bei įvairius autentifikavimo/autorizavimo mechanizmus (pvz., vartotojo vardą/slaptažodį, kliento sertifikatus).

Pasauliniai naudojimo atvejai ir MQTT pavyzdžiai

MQTT publikavimo-prenumeravimo modelis ir efektyvumas daro jį idealiu įvairioms pasaulinėms daiktų interneto programoms:

• Išmanieji namai ir pastatų automatizavimas: Nuo gyvenamųjų kompleksų Singapūre iki komercinių daugiaaukščių Niujorke, MQTT palengvina ryšį tarp išmaniųjų įrenginių, tokių kaip apšvietimo sistemos, ŠVOK įrenginiai, durų spynos ir apsaugos kameros. Centrinis brokeris gali valdyti šimtus įrenginių, leidžiančių sklandų valdymą ir automatizavimą, siunčiant pranešimus gyventojų telefonams ar pastatų valdymo sistemoms.
• Pramoninis daiktų internetas (IIoT) ir nuotolinis stebėjimas: Gamyklose visoje Vokietijoje, gamybos įmonėse Japonijoje ar naftos ir dujų telkiniuose Artimuosiuose Rytuose, MQTT jungia jutiklius ant mašinų su debesijos platformomis. Tai leidžia stebėti įrangos našumą realiuoju laiku, atlikti nuspėjamąją techninę priežiūrą ir gerinti veiklos efektyvumą. Duomenys iš nesuskaičiuojamos galybės jutiklių (temperatūros, slėgio, vibracijos) gali būti renkami ir nukreipiami į analizės sistemas, užtikrinant nepertraukiamą veiklą ir darbuotojų saugą.
• Automobilių pramonė: Pasaulyje prijungti automobiliai naudoja MQTT telemetrijos duomenims, programinės įrangos atnaujinimams ir ryšiui su debesijos paslaugomis. Transporto priemonių diagnostika, vietos stebėjimas ir informacijos ir pramogų sistemų atnaujinimai gali būti efektyviai valdomi per MQTT, užtikrinant saugią ir mastelio keitimui pritaikytą platformą augančiam transporto priemonių parkui visame pasaulyje.
• Sveikatos priežiūra ir nuotolinis pacientų stebėjimas: Nuo klinikų kaimo Indijoje iki specializuotų ligoninių Švedijoje, MQTT naudojamas nešiojamuose sveikatos monitoriuose ir medicinos prietaisuose, siekiant perduoti gyvybinius požymius (širdies ritmą, kraujospūdį, gliukozės lygį) sveikatos priežiūros paslaugų teikėjams ar debesijos sveikatos platformoms. Tai leidžia nuolat stebėti pacientus, ypač pagyvenusius ar sergančius lėtinėmis ligomis, ir laiku imtis priemonių bei pagerinti pacientų rezultatus.
• Logistika ir tiekimo grandinės stebėjimas: Įmonės, valdančios pasaulines tiekimo grandines, nuo konteinerinių laivų, kertančių vandenynus, iki pristatymo sunkvežimių Brazilijoje, naudoja MQTT, kad galėtų stebėti prekes realiuoju laiku. Jutikliai ant padėklų ar konteinerių gali pranešti apie vietą, temperatūrą ir drėgmę, užtikrindami greitai gendančių prekių vientisumą ir optimizuodami pristatymo maršrutus.
• Žemės ūkio technologijos („AgriTech“): Dideliuose ūkiuose Australijoje ar vynuogynuose Prancūzijoje, MQTT palaikantys jutikliai stebi dirvožemio drėgmę, maistinių medžiagų lygį ir oro sąlygas. Šie duomenys skelbiami centriniam brokeriui, leidžiant ūkininkams priimti duomenimis pagrįstus sprendimus dėl drėkinimo, tręšimo ir kenkėjų kontrolės, optimizuojant derlių ir išteklių naudojimą.

MQTT privalumai

• Išskirtinis mastelis: Brokeriu pagrįsta architektūra leidžia milijonams įrenginių prisijungti tiesiogiai nežinant vieniems apie kitus, todėl ji yra labai mastelio keitimui pritaikyta didelėms daiktų interneto ekosistemoms.
• Atskirtas ryšys: Publikuotojams ir prenumeratoriams nereikia žinoti vieniems apie kitus, o tai supaprastina sistemos projektavimą ir priežiūrą.
• Tinklo efektyvumas: Minimalios pridėtinės išlaidos ir efektyvus TCP jungčių naudojimas daro jį idealų mažo pralaidumo ir didelės delsos tinklams.
• Patikimas pranešimų siuntimas: QoS lygiai suteikia išsamią pranešimų pristatymo garantijų kontrolę, nuo „geriausių pastangų“ iki „lygiai vieną kartą“.
• Įvykiais pagrįstas ir realaus laiko: Puikiai tinka scenarijams, kur reikalingi neatidėliotini atnaujinimai ar komandos, pavyzdžiui, įspėjimai ar valdymo signalai.
• Platus pritaikymas ir ekosistema: Brandus standartas su plačiomis klientų bibliotekomis įvairioms programavimo kalboms ir patikimais brokerių diegimais, palengvinančiais kūrimą.

MQTT trūkumai

• Reikalingas brokeris: Centrinis brokeris yra būtinas visam ryšiui, o tai sukuria vieną gedimo tašką (nors didelio prieinamumo brokeriai gali tai sumažinti) ir papildomą infrastruktūros komponentą, kurį reikia valdyti.
• Nėra natūraliai suderinamas su HTTP: Nors šliuzai gali sujungti MQTT su HTTP, jis nėra natūraliai suderinamas su interneto naršyklėmis ar RESTful API be konvertavimo.
• Pridėtinės išlaidos labai mažiems pranešimams: Nors apskritai lengvas, ypač mažiems duomenų paketams (pvz., vieno baito), TCP/IP ir MQTT antraščių pridėtinės išlaidos vis tiek gali būti neproporcingai didelės.
• Būsenos valdymas: Prenumeratų ir sesijų valdymas dideliam klientų skaičiui gali tapti sudėtingas brokeriui.

CoAP: į internetą orientuotas lengvasvoris

Kas yra CoAP?

CoAP yra IETF standartinis protokolas, skirtas labai ribotų galimybių įrenginiams, dažnai turintiems minimalius išteklius ir veikiantiems aplinkoje, kur UDP yra pageidaujamas arba reikalingas. Jis į daiktų internetą atneša pažįstamą RESTful (Representational State Transfer) architektūrą iš interneto, leidžiančią įrenginiams sąveikauti su ištekliais naudojant metodus, panašius į HTTP (GET, PUT, POST, DELETE).

Pagrindinės CoAP savybės

CoAP siekia suteikti panašią į interneto patirtį mažiausiems įrenginiams:

• Užklausos-atsakymo modelis:
  • Panašiai kaip HTTP, CoAP veikia pagal tradicinį kliento-serverio modelį. Klientas siunčia užklausą serveriui (daiktų interneto įrenginiui su ištekliais), o serveris atsiunčia atsakymą.
  • Ištekliai identifikuojami URI, kaip ir internete (pvz., coap://device.example.com/sensors/temperature).
• UDP pagrindu veikiantis transportas:
  • CoAP pirmiausia naudoja UDP (User Datagram Protocol), o ne TCP. UDP yra bejungtis ir turi žymiai mažesnes pridėtines išlaidas nei TCP, todėl idealiai tinka įrenginiams su labai ribota atmintimi ir energija.
  • Siekdamas kompensuoti UDP nepatikimumą, CoAP tiesiogiai protokole įgyvendina savo lengvus patikimumo mechanizmus (pakartotinius siuntimus, patvirtinimus). Tai reiškia, kad CoAP pranešimai gali būti „patvirtinami“ (reikalaujantys patvirtinimo) arba „nepatvirtinami“ (išsiųsti ir pamiršti).
• RESTful sąsaja:
  • CoAP palaiko standartinius metodus, tokius kaip GET (gauti ištekliaus atvaizdą), POST (sukurti ar atnaujinti išteklių), PUT (atnaujinti/pakeisti išteklių) ir DELETE (pašalinti išteklių). Tai daro jį intuityvų interneto kūrėjams, susipažinusiems su HTTP.
  • Jis naudoja tokias sąvokas kaip universalieji išteklių identifikatoriai (URI) išteklių adresavimui ir turinio tipus duomenų formatams.
• Minimalios pridėtinės išlaidos: CoAP antraštės yra itin kompaktiškos (paprastai 4 baitai), leidžiančios labai mažus pranešimų dydžius. Tai labai svarbu itin ribotų galimybių įrenginiams ir mažos galios belaidžiams tinklams.
• Išteklių atradimas: CoAP apima mechanizmus, skirtus atrasti prieinamus išteklius CoAP serveryje (įrenginyje), panašiai kaip interneto serveris gali pateikti prieinamų puslapių sąrašą. Tai naudinga dinamiškoms įrenginių aplinkoms.
• Stebėjimo parinktis („Observe“): Nors CoAP yra daugiausia užklausos-atsakymo protokolas, jis siūlo „stebėjimo“ parinktį, kuri leidžia ribotą publikavimo-prenumeravimo formą. Klientas gali „stebėti“ išteklių, o serveris siųs to ištekliaus atnaujinimus laikui bėgant be pakartotinių užklausų. Tai yra efektyviau nei nuolatinis pokyčių tikrinimas.
• Blokų perdavimas: Didesniems duomenų kiekiams perduoti CoAP teikia blokų perdavimo mechanizmą, skaidant duomenis į mažesnius blokus, kad tilptų į tipiškus ribotų tinklų MTU (maksimalius perdavimo vienetus).
• Tarpinio serverio ir podėliavimo palaikymas: CoAP natūraliai palaiko tarpinius serverius (proxy), kurie gali versti CoAP užklausas į HTTP ir atvirkščiai, sujungdami atotrūkį tarp ribotų galimybių įrenginių ir platesnio interneto. Atsakymų podėliavimas taip pat yra natūraliai palaikomas, mažinant perteklines užklausas.
• Saugumas: CoAP paprastai naudoja „Datagram Transport Layer Security“ (DTLS) saugiam ryšiui per UDP, suteikdamas šifravimą, autentifikavimą ir vientisumą, panašų į TLS, skirtą TCP.

Pasauliniai naudojimo atvejai ir CoAP pavyzdžiai

CoAP efektyvumas ir paprastumas daro jį tinkamą scenarijams su labai ribotais ištekliais ir tiesioginei įrenginių sąveikai:

• Belaidžiai jutiklių tinklai (WSN): Nuotolinėse aplinkos stebėjimo stotyse Amazonės atogrąžų miškuose, išmaniojo gatvių apšvietimo sistemose Kopenhagoje ar žemės ūkio laukuose kaimo Kinijoje, CoAP puikiai tinka. Įrenginiai su minimalia energija ir apdorojimo galia gali efektyviai siųsti mažus duomenų paketus (pvz., temperatūrą, drėgmę, šviesos intensyvumą) arba gauti paprastas komandas (pvz., įjungti/išjungti). Jo UDP pagrindas yra gerai pritaikytas mažos galios belaidžiams protokolams, tokiems kaip 6LoWPAN.
• Išmaniųjų miestų infrastruktūra: Baterijomis maitinamiems parkavimo jutikliams įvairiuose urbanistiniuose centruose nuo Tokijo iki Londono, ar išmaniosioms šiukšliadėžėms išmaniuosiuose rajonuose, CoAP minimalios pridėtinės išlaidos ir UDP efektyvumas leidžia ilgai veikti baterijai ir greitai įdiegti. Šie įrenginiai gali dažnai pranešti apie savo būseną ar buvimą, greitai neišeikvodami energijos.
• Pastatų automatizavimas kraštinėje kompiuterijoje: Komerciniuose pastatuose Dubajuje ar gyvenamuosiuose kompleksuose Kanadoje, CoAP naudojamas tiesioginiam mažų vykdiklių ir jutiklių, tokių kaip išmaniosios durų spynos, langų jutikliai ar paprasti šviesos jungikliai, valdymui. Jo užklausos-atsakymo modelis yra intuityvus individualioms valdymo operacijoms.
• Energijos valdymo sistemos: Išmaniuosiuose tinkluose ar mikrotinkluose, ypač besivystančiuose regionuose su mažiau stabilia infrastruktūra, CoAP gali būti naudojamas bendravimui su išmaniaisiais skaitikliais ar energijos suvartojimo jutikliais. Jo mažas išteklių naudojimas daro jį perspektyviu įrenginiams, diegiamiems sudėtingose aplinkose.
• Nešiojami įrenginiai ir asmeniniai sveikatos prietaisai: Kompaktiškiems, baterijomis maitinamiems nešiojamiems įrenginiams, kuriems reikia retkarčiais siųsti mažus duomenų paketus (pvz., aktyvumo stebėjimo atnaujinimus, paprastus įspėjimus) į netoliese esantį šliuzą ar išmanųjį telefoną, CoAP siūlo efektyvų sprendimą.
• Mažmeninė prekyba ir turto stebėjimas: Dideliuose sandėliuose ar mažmeninės prekybos erdvėse Meksikoje ar Pietų Afrikoje, CoAP gali būti naudojamas atsargų stebėjimui su mažos galios žymėmis, siunčiant vietos atnaujinimus ar atskirų prekių būsenos pakeitimus.

CoAP privalumai

• Itin mažos pridėtinės išlaidos: Minimalus pranešimo dydis ir UDP transportas daro jį neįtikėtinai efektyvų ypač ribotų galimybių įrenginiams ir tinklams.
• Tinka ribotų galimybių įrenginiams: Sukurtas nuo pat pradžių mikrovaldikliams su ribota atmintimi, apdorojimo galia ir baterijos veikimo laiku.
• Interneto integracija: Jo RESTful prigimtis ir į HTTP panašūs metodai leidžia jį lengvai integruoti su tradicinėmis interneto paslaugomis per tarpinius serverius.
• Tiesioginis įrenginių ryšys: CoAP gali būti naudojamas tiesioginiam ryšiui tarp įrenginių, nereikalaujant tarpinio brokerio, o tai supaprastina tam tikras tinklo topologijas.
• Daugiaadresio siuntimo (multicast) palaikymas: Naudodamas UDP daugiaadresio siuntimo galimybes, CoAP gali efektyviai siųsti pranešimus įrenginių grupėms.
• Išteklių atradimas: Natūralus palaikymas prieinamų išteklių atradimui įrenginyje.

CoAP trūkumai

• Mažiau pritaikytas „daugelis su daugeliu“ ryšiui: Nors „Observe“ suteikia į „pub-sub“ panašią funkciją, CoAP pagrindinis užklausos-atsakymo modelis yra mažiau efektyvus nei MQTT skirtas „pub-sub“ modelis didelio masto išsiuntimui (vienas publikuotojas daugeliui prenumeratorių).
• UDP patikimumo valdymas: Nors CoAP prideda savo patikimumą, jis nėra toks tvirtas ar universaliai valdomas kaip TCP įgimti mechanizmai, todėl reikalauja kruopštaus įgyvendinimo.
• Nėra natūralaus „push“ modelio: „Observe“ mechanizmas yra traukimu pagrįstas pranešimas, o ne tikras brokerio valdomas „push“ modelis, o nuolatinės „Observe“ jungtys gali sunaudoti daugiau išteklių laikui bėgant.
• Mažiau brandi ekosistema (palyginti su MQTT): Nors auganti, CoAP turi mažiau plačiai paplitusių brokerių diegimų ir bendruomenės palaikymo, palyginti su brandžia MQTT ekosistema.
• Tinklo adresų vertimo (NAT) įveikimas: UDP pagrindu veikiantys protokolai gali susidurti su iššūkiais įveikiant NAT sudėtingose tinklo konfigūracijose, potencialiai reikalaujant papildomo nustatymo pasauliniam pasiekiamumui.

MQTT vs CoAP: palyginimas vienas šalia kito

Siekdami išgryninti skirtumus ir padėti priimti sprendimus, palyginkime MQTT ir CoAP pagal pagrindinius aspektus:

Ryšio modelis:

• MQTT: Publikavimo-prenumeravimo (asinchroninis). Publikuotojai ir prenumeratoriai yra atskirti brokeriu. Idealus vienas su daugeliu ir daugelis su daugeliu ryšiui.
• CoAP: Užklausos-atsakymo (sinchroninis/asinchroninis su „Observe“). Klientas prašo ištekliaus, serveris atsako. Panašus į HTTP. Idealus vienas su vienu ryšiui.

Transporto lygmuo:

• MQTT: TCP (Transmission Control Protocol). Suteikia įdiegtą patikimumą, srauto valdymą ir klaidų tikrinimą, užtikrinant tvarkingą pristatymą.
• CoAP: UDP (User Datagram Protocol). Bejungtis ir be būsenos, su minimaliomis pridėtinėmis išlaidomis. CoAP prideda savo patikimumo sluoksnį (patvirtinami pranešimai, pakartotiniai siuntimai) ant UDP.

Pridėtinės išlaidos ir pranešimo dydis:

• MQTT: Santykinai lengvas (minimali antraštė, paprastai 2 baitų fiksuota antraštė + kintama antraštė). Vis tiek gauna naudos iš TCP ryšio sukūrimo.
• CoAP: Itin lengvas (paprastai 4 baitų fiksuota antraštė). Labai efektyvus mažiausiems pranešimams, ypač per mažos galios belaidžius tinklus.

Brokerio/serverio reikalavimas:

• MQTT: Reikalingas centrinis MQTT brokeris, kad palengvintų visą ryšį.
• CoAP: Nereikia brokerio tiesioginiam įrenginių ryšiui. Įrenginiai veikia kaip CoAP klientai ir serveriai. Gali naudoti tarpinius serverius, kad prisijungtų prie interneto.

Patikimumas:

• MQTT: Paveldėtas iš TCP patikimumo. Siūlo tris QoS lygius (0, 1, 2) aiškioms pranešimų pristatymo garantijoms.
• CoAP: Įgyvendina savo patikimumą (patvirtinami pranešimai su patvirtinimais ir pakartotiniais siuntimais) per UDP. Mažiau patikimas nepatikimiems tinklams nei TCP įgimtas patikimumas.

Saugumas:

• MQTT: Saugomas naudojant TLS/SSL per TCP šifravimui ir autentifikavimui.
• CoAP: Saugomas naudojant DTLS (Datagram Transport Layer Security) per UDP šifravimui ir autentifikavimui.

Interneto integracija:

• MQTT: Nėra natūraliai suderinamas su internetu; reikalingas tiltas arba šliuzas sąveikai su HTTP pagrįstomis interneto paslaugomis.
• CoAP: Sukurtas taip, kad būtų lengvai susietas su HTTP ir dažnai naudoja CoAP-HTTP tarpinius serverius integracijai su interneto programomis.

Idealūs naudojimo atvejai:

• MQTT: Didelio masto daiktų interneto diegimai, į debesiją orientuotos architektūros, realaus laiko duomenų srautai, įvykiais pagrįstos sistemos, mobiliosios programos, pramoninė automatizacija, kur daug įrenginių publikuoja daugeliui prenumeratorių.
• CoAP: Labai ribotų išteklių įrenginiai, vietinis įrenginių ryšys, mažos galios belaidžiai tinklai (pvz., 6LoWPAN), jutiklių/vykdiklių tinklai, RESTful daiktų interneto API, kur reikalinga tiesioginė sąveika su konkrečiais ištekliais.

Tinkamo protokolo pasirinkimas: sprendimų priėmimo sistema pasauliniams daiktų interneto diegimams

Pasirinkimas tarp MQTT ir CoAP nėra klausimas, kuris protokolas yra iš prigimties „geresnis“, o veikiau, kuris geriausiai tinka specifiniams jūsų daiktų interneto sprendimo reikalavimams ir apribojimams. Pasaulinė perspektyva reikalauja atsižvelgti į įvairias tinklo sąlygas, įrenginių galimybes ir reguliavimo aplinkas. Štai sprendimų priėmimo sistema:

Svarstytini veiksniai

Įvertinkite šiuos savo daiktų interneto projekto aspektus:

• Įrenginio apribojimai:
  • Atmintis ir apdorojimo galia: Kiek ribotos yra jūsų įrenginių galimybės? Jei jie turi kilobaitus RAM ir lėtus mikrovaldiklius, CoAP gali būti geresnis pasirinkimas. Jei jie turi daugiau išteklių (pvz., Raspberry Pi, ESP32), MQTT yra puikiai tinkamas.
  • Baterijos veikimo laikas: UDP (CoAP) paprastai sunaudoja mažiau energijos trumpiems ryšio pliūpsniams dėl ryšio sukūrimo pridėtinių išlaidų nebuvimo, o tai gali būti kritiškai svarbu kelerius metus trunkančiam baterijos veikimui. TCP (MQTT) reikalauja nuolatinio ryšio, kuris gali būti energijos imlesnis, jei nėra atidžiai valdomas.
• Tinklo apribojimai:
  • Pralaidumas: Abu yra lengvi, bet CoAP turi nežymiai mažesnę antraštę, o tai gali būti reikšminga itin mažo pralaidumo tinkluose (pvz., LPWAN, tokie kaip Sigfox, LoRaWAN – nors šie dažnai turi savo taikomojo lygmens protokolus, su kuriais CoAP gali susieti).
  • Delsa ir patikimumas: Jei tinklas yra labai nepatikimas arba linkęs į didelę delsą, MQTT QoS lygiai ir TCP įgimtas patikimumas gali būti pageidautinesni. CoAP pakartotiniai siuntimai veikia, tačiau UDP bejungtė prigimtis gali būti mažiau nuspėjama per labai nuostolingus ryšius.
  • Tinklo topologija: Ar įrenginiai yra už sudėtingų NAT ar ugniasienių? MQTT brokerio modelis dažnai supaprastina ugniasienės įveikimą išeinančioms jungtims. CoAP (UDP) gali būti sudėtingesnis tiesioginiam „peer-to-peer“ ryšiui internetu.
• Ryšio modelis:
  • Publikavimo-prenumeravimo (daugelis su daugeliu): Ar jums reikia, kad vienas įrenginys siųstų duomenis daugeliui suinteresuotų šalių, ar agreguoti duomenis iš daugelio įrenginių į centrinę sistemą? MQTT čia yra aiškus nugalėtojas.
  • Užklausos-atsakymo (vienas su vienu): Ar jums reikia užklausti konkretų įrenginį dėl jo būsenos, ar siųsti tiesioginę komandą vykdikliui? CoAP puikiai tinka šiam modeliui.
  • Įvykiais pagrįstas vs. apklausa: Realaus laiko įvykių pranešimams MQTT „push“ modelis yra pranašesnis. CoAP „Observe“ parinktis gali suteikti į „push“ panašų elgesį, tačiau labiau tinka stebėti konkrečius išteklių pokyčius.
• Mastelio keitimo reikalavimai:
  • Kiek įrenginių bus prijungta? Kiek duomenų bus keičiamasi? MQTT brokerio architektūra yra sukurta didžiuliam masteliui, galinti valdyti milijonus vienu metu veikiančių jungčių. CoAP yra pritaikomas daugeliui išteklių, tačiau jo pagrindinė užklausos-atsakymo prigimtis yra mažiau efektyvi dideliems duomenų kiekiams transliuoti daugeliui prenumeratorių.
• Integracija su esamomis sistemomis ir internetu:
  • Ar kuriate į internetą orientuotą daiktų interneto sprendimą, kuriame įrenginiai atveria išteklius, prie kurių galima prieiti kaip prie interneto puslapių? CoAP RESTful prigimtis gerai dera su tuo.
  • Ar integruojatės su įmonių pranešimų eilėmis ar didžiųjų duomenų platformomis? MQTT dažnai turi daugiau tiesioginių jungčių ir integracijų dėl savo populiarumo įmonių pranešimų siuntime.
• Saugumo poreikiai:
  • Abu palaiko stiprų šifravimą (TLS/DTLS). Apsvarstykite saugių jungčių sukūrimo ir palaikymo pridėtines išlaidas labai ribotų galimybių įrenginiuose.
• Kūrėjų ekosistema ir palaikymas:
  • Kiek brandi yra bendruomenė ir prieinamos klientų bibliotekos jūsų pasirinktai kūrimo aplinkai? MQTT paprastai turi didesnę ir brandesnę ekosistemą visame pasaulyje.

Kada rinktis MQTT

Pasirinkite MQTT, kai jūsų daiktų interneto sprendimas apima:

• Didelio masto jutiklių tinklus ir telemetrijos sistemas (pvz., išmaniojo miesto oro kokybės stebėjimas, žemės ūkio klimato kontrolė didžiuliuose laukuose Brazilijoje).
• Poreikį centralizuotai rinkti ir platinti duomenis įvairioms programoms ar prietaisų skydeliams (pvz., išmaniosios gamyklos operacijos Kinijoje, kur gamybos duomenys yra bendrinami su valdymo, analizės ir priežiūros komandomis).
• Įvykiais pagrįstas architektūras, kur realaus laiko įspėjimai ar komandos yra kritiškai svarbūs (pvz., apsaugos sistemos pažeidimo pranešimai, skubios medicininės pagalbos įspėjimai iš nešiojamų prietaisų).
• Įrenginius, kurie gali palaikyti nuolatinį ryšį arba lengvai prisijungti iš naujo (pvz., įrenginiai su stabiliu maitinimo šaltiniu ar koriniu ryšiu).
• Dvikryptį ryšį, kur dažnai siunčiamos komandos iš debesijos į įrenginį ir duomenys iš įrenginio į debesiją.
• Integraciją su mobiliosiomis programomis ar interneto paslaugomis, kurios gauna naudos iš „push“ pranešimų.
• Scenarijus, kur pranešimų pristatymo garantijos (QoS) yra itin svarbios, pavyzdžiui, kritiniai valdymo signalai ar finansinės operacijos.

Kada rinktis CoAP

Apsvarstykite CoAP savo daiktų interneto sprendimui, jei:

• Dirbate su itin ribotų išteklių įrenginiais (pvz., baterijomis maitinamais jutikliais su mažyčiais mikrovaldikliais atokiuose Afrikos kaimuose).
• Tinklo aplinka yra daugiausia mažos galios belaidė (pvz., 6LoWPAN per Thread ar Zigbee, ar ribotas Wi-Fi), kur UDP efektyvumas yra svarbiausias.
• Ryšys yra daugiausia užklausos-atsakymo, kur klientas apklausia konkretų išteklių įrenginyje arba siunčia tiesioginę komandą (pvz., nuskaito konkrečią vertę iš išmaniojo skaitiklio, perjungia šviesos jungiklį).
• Jums reikalingas tiesioginis įrenginių ryšys be tarpinio brokerio (pvz., išmanusis šviesos jungiklis tiesiogiai bendrauja su išmaniąja lempute vietiniame tinkle).
• Sistemos architektūra natūraliai tinka RESTful interneto modeliui, kur įrenginiai atveria „išteklius“, prie kurių galima prieiti ar juos manipuliuoti per URI.
• Daugiaadresis siuntimas įrenginių grupėms yra reikalavimas (pvz., siunčiant komandą visiems gatvių žibintams konkrečioje zonoje).
• Pagrindinis naudojimo atvejis apima periodiškus ištekliaus stebėjimus, o ne nuolatinį srautą (pvz., stebint temperatūros jutiklį dėl pokyčių kas kelias minutes).

Hibridiniai metodai ir šliuzai

Svarbu pripažinti, kad MQTT ir CoAP nėra vienas kitą paneigiantys. Daugelyje sudėtingų daiktų interneto diegimų, ypač apimančių įvairias geografines vietoves ir įrenginių tipus, naudojamas hibridinis požiūris:

• Kraštinės kompiuterijos šliuzai: Įprastu atveju, labai ribotų galimybių CoAP palaikantys įrenginiai bendrauja su vietiniu kraštinės kompiuterijos šliuzu (pvz., vietiniu serveriu ar galingesniu įterptiniu įrenginiu). Šis šliuzas tada agreguoja duomenis, atlieka vietinį apdorojimą ir persiunčia atitinkamą informaciją į debesiją naudojant MQTT. Tai sumažina naštą atskiriems ribotų galimybių įrenginiams ir optimizuoja ryšį su debesija. Pavyzdžiui, dideliame ūkyje kaimo Australijoje, CoAP jutikliai renka dirvožemio duomenis ir siunčia juos į vietinį šliuzą; šliuzas tada naudoja MQTT, kad nusiųstų agreguotus duomenis į debesijos analizės platformą Sidnėjuje.
• Protokolų vertimas: Šliuzai taip pat gali veikti kaip protokolų vertėjai, konvertuodami CoAP pranešimus į MQTT (ir atvirkščiai) ar HTTP, leidžiant sklandžią integraciją tarp skirtingų daiktų interneto ekosistemos dalių. Tai ypač naudinga integruojant naujus ribotų galimybių įrenginius į esamą MQTT pagrindu veikiančią debesijos infrastruktūrą.

Saugumo aspektai abiem protokolams

Saugumas yra svarbiausias bet kokiame daiktų interneto diegime, ypač pasauliniame kontekste, kur duomenų privatumo reglamentai (kaip GDPR Europoje ar įvairūs duomenų apsaugos aktai Azijoje ir Amerikoje) ir kibernetinės grėsmės yra nuolat aktualūs. Tiek MQTT, tiek CoAP siūlo mechanizmus ryšio apsaugai:

• Šifravimas:
  • MQTT: Paprastai naudoja TLS/SSL (Transport Layer Security/Secure Sockets Layer) per TCP. Tai šifruoja visą ryšio kanalą tarp kliento ir brokerio, apsaugodamas duomenis nuo pasiklausymo.
  • CoAP: Naudoja DTLS (Datagram Transport Layer Security) per UDP. DTLS suteikia panašų kriptografinį saugumą kaip TLS, bet pritaikytą bejungčiams datagramų protokolams.
• Autentifikavimas:
  • Abu protokolai palaiko kliento ir serverio autentifikavimą. MQTT atveju tai dažnai apima vartotojo vardą/slaptažodį, kliento sertifikatus ar OAuth žetonus. CoAP atveju dažniausiai naudojami iš anksto bendrinami raktai (PSK) arba X.509 sertifikatai su DTLS. Patikimas autentifikavimas užtikrina, kad tinkle gali dalyvauti tik teisėti įrenginiai ir vartotojai.
• Autorizavimas:
  • Be autentifikavimo, autorizavimas nustato, ką autentifikuoti klientai gali daryti. MQTT brokeriai teikia prieigos kontrolės sąrašus (ACL), kad apibrėžtų, kurie klientai gali publikuoti ar prenumeruoti konkrečias temas. CoAP serveriai kontroliuoja prieigą prie konkrečių išteklių, remdamiesi kliento kredencialais.
• Duomenų vientisumas: Tiek TLS, tiek DTLS suteikia mechanizmus, užtikrinančius, kad pranešimai nebuvo pakeisti tranzito metu.

Nepriklausomai nuo pasirinkto protokolo, stipraus saugumo įgyvendinimas yra nediskutuotinas. Tai apima saugų raktų valdymą, reguliarius saugumo auditus ir geriausių praktikų, tokių kaip mažiausių privilegijų principo įrenginių prieigai, laikymąsi.

Ateities tendencijos ir evoliucija daiktų interneto protokoluose

Daiktų interneto kraštovaizdis yra dinamiškas, o protokolai toliau tobulėja. Nors MQTT ir CoAP išlieka dominuojantys, kelios tendencijos formuoja jų ateitį ir naujų sprendimų atsiradimą:

• Kraštinė kompiuterija: Kraštinės kompiuterijos augimas skatina hibridines architektūras. Kai vis daugiau apdorojimo perkeliama arčiau duomenų šaltinių, protokolai, leidžiantys efektyvų vietinį įrenginių ryšį ir įrenginių su kraštinės kompiuterijos mazgu ryšį (kaip CoAP), ir toliau bus labai svarbūs, papildydami į debesiją orientuotus protokolus (kaip MQTT).
• Standartizacija ir sąveikumas: Pastangos standartizuoti duomenų modelius ir semantinį sąveikumą (pvz., naudojant sistemas kaip OPC UA ar oneM2M, kurios gali veikti per MQTT/CoAP) pagerins sklandų ryšį tarp įvairių daiktų interneto ekosistemų visame pasaulyje.
• Patobulintos saugumo funkcijos: Grėsmėms tobulėjant, tobulės ir saugumo priemonės. Tikimasi nuolatinio progreso lengvose kriptografinėse technikose, tinkančiose ribotų galimybių įrenginiams, ir sudėtingesniuose tapatybės valdymo sprendimuose.
• Integracija su 5G ir LPWAN: 5G diegimas ir nuolatinis mažos galios plačiajuosčių tinklų (LPWAN, pvz., NB-IoT, LTE-M) plėtimasis turės įtakos protokolo pasirinkimui. Nors LPWAN dažnai turi savo specifinius sluoksnius, efektyvūs taikomieji protokolai, tokie kaip MQTT-SN (MQTT jutiklių tinklams) ar CoAP, yra būtini optimizuojant duomenų mainus per šias naujas radijo technologijas, ypač didelėse geografinėse teritorijose.
• Alternatyvūs/papildantys protokolai: Nors tiesiogiai nekonkuruoja, protokolai, tokie kaip AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) įmonių pranešimų siuntimui, ir DDS (Data Distribution Service) realaus laiko, didelio našumo sistemoms, yra naudojami specifinėse daiktų interneto nišose, dažnai kartu su MQTT skirtingiems sprendimo sluoksniams.

Išvada

Daiktų interneto protokolo pasirinkimas yra pamatinis sprendimas, formuojantis visos jūsų daiktų interneto ekosistemos efektyvumą, mastelį ir atsparumą. Tiek MQTT, tiek CoAP yra galingi, lengvi protokolai, skirti patenkinti unikalius prijungtų įrenginių poreikius, tačiau jie tenkina skirtingus poreikius ir naudojimo atvejus.

MQTT išsiskiria didelio masto, daugelio su daugeliu ryšio scenarijuose, siūlydamas patikimą patikimumą ir labai mastelio keitimui pritaikytą publikavimo-prenumeravimo modelį, todėl idealiai tinka į debesiją orientuotam duomenų agregavimui ir realaus laiko įvykių valdymui. Jo brandumas ir plati ekosistema suteikia didelę kūrimo pagalbą.

CoAP, kita vertus, yra čempionas labiausiai ribotų išteklių įrenginiams ir tinklams, puikiai veikiantis vienas su vienu ryšyje ir tiesioginiame įrenginių valdyme, su savo liesu, internetui draugišku RESTful požiūriu. Jis ypač gerai tinka kraštinės kompiuterijos diegimams ir įrenginiams su minimaliais energijos biudžetais.

Pasauliniams daiktų interneto diegimams svarbiausia suprasti įrenginių galimybių, tinklo sąlygų, ryšio modelių ir saugumo reikalavimų niuansus. Atidžiai įvertinę šiuos veiksnius, palyginti su MQTT ir CoAP stiprybėmis bei silpnybėmis ir apsvarstę hibridines architektūras, galite sukurti daiktų interneto sprendimą, kuris būtų ne tik patikimas ir efektyvus, bet ir pritaikomas įvairiems ir nuolat besikeičiantiems pasaulinio prijungto pasaulio poreikiams. Teisingas protokolo pasirinkimas užtikrina, kad jūsų daiktų interneto vizija gali iš tikrųjų peržengti geografines ribas ir atskleisti visą savo potencialą.