MQTT protokolas: daiktų interneto (IoT) pranešimų eilių pagrindas

Daiktų internetas (IoT) sukėlė revoliuciją įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje, sujungdamas milijardus įrenginių ir suteikdamas precedento neturintį automatizavimo, duomenų rinkimo ir nuotolinio valdymo lygį. Šios revoliucijos centre slypi poreikis efektyviam ir patikimam ryšiui tarp šių įrenginių. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) tapo de facto standartiniu protokolu IoT pranešimų perdavimui, suteikdamas lengvasvorį ir lankstų sprendimą įrenginiams su ribotais resursais ir pralaidumu sujungti.

Kas yra MQTT?

MQTT yra lengvasvoris, publikavimo-prenumeravimo tinklo protokolas, kuris perduoda pranešimus tarp įrenginių. Jis sukurtas ryšiams su atokiomis vietomis, kur pralaidumas yra ribotas, pavyzdžiui, mašina-mašinai (M2M) ir IoT aplinkose. Dėl savo paprastumo ir efektyvumo jis idealiai tinka įvairioms programoms, nuo namų automatizavimo iki pramoninių valdymo sistemų.

Pagrindinės MQTT savybės:

• Lengvasvoris: MQTT turi mažą kodo pėdsaką ir reikalauja minimalaus pralaidumo, todėl tinka įrenginiams su ribotais resursais.
• Publikuoti-prenumeruoti: MQTT naudoja publikavimo-prenumeravimo modelį, kuris atsieja pranešimų siuntėjus (publikuotojus) nuo pranešimų gavėjų (prenumeratorių). Tai leidžia lanksčiai ir mastelį keičiančiai komunikacijai.
• Paslaugos kokybė (QoS): MQTT siūlo tris paslaugos kokybės lygius, kad užtikrintų pranešimų pristatymo patikimumą, net ir esant nepatikimoms tinklo sąlygoms.
• Išliekančios sesijos: MQTT palaiko išliekančias sesijas, kurios leidžia klientams vėl prisijungti ir tęsti komunikaciją neprarandant pranešimų.
• Paskutinė valia ir testamentas: MQTT leidžia klientams apibrėžti „paskutinės valios ir testamento“ pranešimą, kurį tarpininkas publikuoja, jei klientas netikėtai atsijungia.
• Saugumas: MQTT palaiko šifravimą ir autentifikavimą, kad apsaugotų jautrius duomenis.

MQTT architektūra

MQTT naudoja publikavimo-prenumeravimo architektūrą, kurią sudaro trys pagrindiniai komponentai:

• MQTT klientai: Tai įrenginiai ar programos, kurios jungiasi prie MQTT tarpininko ir arba publikuoja pranešimus, arba prenumeruoja temas. Klientai gali būti bet kas – nuo jutiklių ir pavarų iki mobiliųjų programėlių ir serverio programų.
• MQTT tarpininkas: Tai centrinis mazgas, kuris gauna pranešimus iš publikuotojų ir persiunčia juos prenumeratoriams pagal jų temų prenumeratas. Tarpininkas yra atsakingas už klientų jungčių valdymą, pranešimų maršrutizavimą ir pranešimų pristatymo užtikrinimą pagal nurodytą QoS lygį. Populiarūs MQTT tarpininkai yra Mosquitto, HiveMQ ir EMQX.
• Temos: Temos yra hierarchinės eilutės, naudojamos pranešimams kategorizuoti. Publikuotojai siunčia pranešimus į konkrečias temas, o prenumeratoriai prenumeruoja temas, kad gautų pranešimus. Temos leidžia lanksčiai ir smulkmeniškai maršrutizuoti pranešimus. Pavyzdžiui, temperatūros rodmenų iš jutiklio konkrečiame kambaryje tema galėtų būti „jutikliai/kambarys1/temperatura“.

Publikavimo-prenumeravimo modelis atsieja publikuotojus ir prenumeratorius, leisdamas lanksčiai ir mastelį keičiančiai komunikacijai. Publikuotojams nereikia žinoti, kas prenumeruoja jų pranešimus, o prenumeratoriams nereikia žinoti, kas publikuoja pranešimus. Tai palengvina klientų pridėjimą ar šalinimą nepaveikiant visos sistemos.

MQTT paslaugos kokybės (QoS) lygiai

MQTT apibrėžia tris paslaugos kokybės (QoS) lygius, kad užtikrintų pranešimų pristatymo patikimumą:

• QoS 0 (Daugiausiai kartą): Tai paprasčiausias ir greičiausias QoS lygis. Pranešimas siunčiamas vieną kartą ir nereikalaujama patvirtinimo. Pranešimas gali būti prarastas, jei tinklo ryšys yra nepatikimas. Tai dažnai vadinama „iššauk ir pamiršk“.
• QoS 1 (Mažiausiai kartą): Užtikrinama, kad pranešimas bus pristatytas prenumeratoriui bent vieną kartą. Publikuotojas pakartotinai siunčia pranešimą, kol gauna patvirtinimą (PUBACK) iš tarpininko. Pranešimas gali būti pristatytas kelis kartus, jei patvirtinimas prarandamas.
• QoS 2 (Tiksliai kartą): Užtikrinama, kad pranešimas bus pristatytas prenumeratoriui tiksliai vieną kartą. Tai aukščiausias QoS lygis, užtikrinantis patikimiausią pranešimų pristatymą. Jis apima keturių krypčių rankos paspaudimą tarp publikuotojo, tarpininko ir prenumeratoriaus, siekiant užtikrinti, kad pranešimas nebūtų dubliuojamas.

QoS lygio pasirinkimas priklauso nuo programos reikalavimų. Programoms, kuriose pranešimų praradimas yra priimtinas, gali pakakti QoS 0. Programoms, kuriose pranešimų pristatymas yra kritiškai svarbus, rekomenduojamas QoS 2.

MQTT naudojimo privalumai

MQTT siūlo keletą privalumų IoT programoms:

• Mažas pralaidumo suvartojimas: Dėl lengvasvorės MQTT prigimties jis idealiai tinka riboto pralaidumo tinklo aplinkoms, tokioms kaip korinis ar palydovinis ryšys. Tai yra labai svarbu IoT įrenginiams, veikiantiems atokiose vietose su ribotu pralaidumu.
• Mastelio keitimas: Publikavimo-prenumeravimo modelis leidžia kurti labai keičiamo mastelio sistemas, nes naujus klientus galima lengvai pridėti ar pašalinti nepaveikiant visos sistemos. Tai būtina IoT diegimams, kuriuose yra daug įrenginių.
• Patikimumas: MQTT QoS lygiai užtikrina pranešimų pristatymo patikimumą net ir nepatikimomis tinklo sąlygomis. Tai labai svarbu programoms, kuriose duomenų praradimas yra nepriimtinas.
• Lankstumas: MQTT galima naudoti su įvairiomis programavimo kalbomis ir platformomis, todėl jį lengva integruoti į esamas sistemas.
• Saugumas: MQTT palaiko šifravimą ir autentifikavimą, kad apsaugotų jautrius duomenis. Tai būtina IoT programoms, kurios tvarko asmeninę ar konfidencialią informaciją.
• Mažas energijos suvartojimas: Dėl mažų pranešimų ir efektyvaus tinklo naudojimo MQTT gali žymiai prailginti baterijomis maitinamų IoT įrenginių baterijos veikimo laiką.

MQTT naudojimo atvejai ir programos

MQTT naudojamas įvairiose IoT programose skirtingose pramonės šakose:

Išmaniųjų namų automatizavimas:

MQTT leidžia bendrauti tarp išmaniųjų namų įrenginių, tokių kaip apšvietimas, termostatai ir apsaugos sistemos. Pavyzdžiui, išmanusis termostatas gali publikuoti temperatūros rodmenis MQTT tarpininkui, o mobilioji programėlė gali prenumeruoti šiuos rodmenis, kad parodytų esamą temperatūrą ir leistų vartotojams reguliuoti termostato nustatymus. Išmanioji apšvietimo sistema gali naudoti MQTT, kad centrinis valdiklis galėtų įjungti ar išjungti šviesas pagal jutiklių duomenis ar vartotojo komandas. Mažas MQTT pridėtinės vertės lygis yra labai svarbus baterijomis maitinamiems jutikliams.

Pramoninis daiktų internetas (IIoT):

MQTT palengvina duomenų rinkimą ir valdymą pramoninėse aplinkose. Gamybos įrangos jutikliai gali publikuoti duomenis MQTT tarpininkui, kurie vėliau gali būti naudojami stebėjimui realiu laiku, prognozuojamai priežiūrai ir procesų optimizavimui. Pavyzdžiui, gamykla Vokietijoje gali naudoti MQTT, kad stebėtų savo robotų rankų veikimą, rinkdama duomenis apie variklio temperatūrą, vibraciją ir energijos suvartojimą. Šie duomenys gali būti naudojami nustatyti galimas problemas, kol jos nesukelia įrangos gedimų. Panašiai, išmanioji žemės ūkio sistema gali naudoti MQTT, kad perduotų jutiklių duomenis, susijusius su dirvožemio drėgme, temperatūra ir trąšų lygiu iš ūkių laukų Brazilijoje atgal į centrinę apdorojimo stotį. Ši informacija gali būti analizuojama, siekiant optimizuoti drėkinimo ir tręšimo grafikus.

Automobilių telematika:

MQTT leidžia bendrauti tarp transporto priemonių ir debesijos platformų tokioms programoms kaip transporto priemonių sekimas, nuotolinė diagnostika ir informacinės pramogos. Telematikos įrenginys automobilyje gali publikuoti GPS vietą, greitį ir variklio duomenis MQTT tarpininkui, kurie vėliau gali būti naudojami transporto priemonės buvimo vietai sekti ir jos veikimui stebėti. Autoparkų valdymo sistemos visame pasaulyje naudoja MQTT maršrutams optimizuoti, vairuotojų saugumui gerinti ir degalų sąnaudoms mažinti.

Energijos valdymas:

MQTT palengvina duomenų rinkimą ir valdymą energijos valdymo sistemose. Išmanieji skaitikliai gali publikuoti energijos suvartojimo duomenis MQTT tarpininkui, kurie vėliau gali būti naudojami sąskaitų išrašymui, paklausos valdymui ir tinklo optimizavimui. Pavyzdžiui, komunalinių paslaugų įmonė Japonijoje gali naudoti MQTT, kad stebėtų energijos suvartojimą namų ūkiuose ir versle, leisdama jiems optimizuoti energijos paskirstymą ir sumažinti piko paklausą.

Sveikatos priežiūros stebėjimas:

MQTT leidžia nuotoliniu būdu stebėti pacientus ir teikti telemedicinos paslaugas. Nešiojami jutikliai gali publikuoti gyvybinių funkcijų duomenis MQTT tarpininkui, kuriuos vėliau sveikatos priežiūros paslaugų teikėjai gali naudoti pacientų sveikatai stebėti ir laiku suteikti pagalbą. Nuotolinio pacientų stebėjimo sistemos šalyse su didelėmis kaimo populiacijomis, pavyzdžiui, Indijoje ar Kinijoje, remiasi MQTT, kad perduotų gyvybinių funkcijų duomenis iš pacientų namų į centrines stebėjimo stotis, leisdamos gydytojams teikti nuotolines konsultacijas ir valdyti lėtines ligas.

MQTT diegimas: geriausios praktikos

Diegiant MQTT, atsižvelkite į šias geriausias praktikas:

• Pasirinkite tinkamą tarpininką: Pasirinkite MQTT tarpininką, kuris atitinka jūsų programos reikalavimus mastelio keitimo, patikimumo ir saugumo požiūriu. Atsižvelkite į tokius veiksnius kaip pranešimų pralaidumas, vienu metu veikiančių jungčių skaičius ir saugumo funkcijų, tokių kaip TLS/SSL šifravimas ir autentifikavimas, palaikymas.
• Sukurkite gerai apibrėžtą temų hierarchiją: Naudokite aiškią ir nuoseklią temų hierarchiją, kad organizuotumėte pranešimus ir užtikrintumėte efektyvų maršrutizavimą. Venkite pernelyg sudėtingų ar dviprasmiškų temų struktūrų. Pavyzdžiui, naudokite struktūrą, tokią kaip „įmonė/vieta/įrenginio_tipas/įrenginio_id/jutiklio_pavadinimas“, kad aiškiai identifikuotumėte duomenų kilmę ir tipą.
• Pasirinkite tinkamą QoS lygį: Pasirinkite tinkamą QoS lygį, atsižvelgdami į jūsų programos reikalavimus pranešimų pristatymo patikimumui. Apsvarstykite kompromisus tarp patikimumo ir našumo. Naudokite QoS 0 nekritiniams duomenims, QoS 1 duomenims, kuriuos reikia pristatyti bent kartą, ir QoS 2 duomenims, kuriems reikalingas garantuotas pristatymas.
• Įgyvendinkite saugumo priemones: Apsaugokite savo MQTT diegimą naudodami TLS/SSL šifravimą komunikacijai ir autentifikavimo mechanizmus, kad patikrintumėte klientų tapatybę. Naudokite stiprius slaptažodžius ir reguliariai atnaujinkite saugumo sertifikatus.
• Optimizuokite pranešimų turinio dydį: Sumažinkite pranešimų turinio dydį, kad sumažintumėte pralaidumo suvartojimą ir pagerintumėte našumą. Naudokite efektyvius duomenų serializavimo formatus, tokius kaip „Protocol Buffers“ ar JSON su glaudinimu.
• Sklandžiai tvarkykite atsijungimus: Įgyvendinkite mechanizmus, skirtus sklandžiai tvarkyti klientų atsijungimus, pavyzdžiui, naudodami išliekančias sesijas ir „paskutinės valios ir testamento“ pranešimus. Tai užtikrina, kad duomenys nebus prarasti ir kad prenumeratoriai bus informuoti apie netikėtus atsijungimus.
• Stebėkite ir analizuokite našumą: Stebėkite savo MQTT diegimo našumą, kad nustatytumėte galimas kliūtis ir optimizuotumėte resursų naudojimą. Naudokite stebėjimo įrankius, kad sektumėte metrikas, tokias kaip pranešimų pralaidumas, delsos laikas ir jungčių statistika.

MQTT saugumo aspektai

Saugumas yra svarbiausias IoT diegimuose. Štai esminiai saugumo aspektai MQTT:

• TLS/SSL šifravimas: Šifruokite komunikaciją tarp klientų ir tarpininko naudodami TLS/SSL, kad apsaugotumėte duomenis nuo pasiklausymo. Tai užtikrina, kad jautrūs duomenys nebus perduodami atviru tekstu.
• Autentifikavimas: Įgyvendinkite autentifikavimo mechanizmus, kad patikrintumėte klientų tapatybę. Naudokite vartotojo vardo/slaptažodžio autentifikavimą, kliento sertifikatus ar kitus autentifikavimo metodus, kad išvengtumėte neteisėtos prieigos.
• Autorizavimas: Įgyvendinkite autorizavimo politiką, kad kontroliuotumėte, kurie klientai gali publikuoti ir prenumeruoti konkrečias temas. Tai neleidžia neteisėtiems klientams pasiekti ar keisti duomenų.
• Įvesties patvirtinimas: Patvirtinkite iš klientų gautus duomenis, kad išvengtumėte injekcijos atakų. Prieš apdorodami duomenis, įsitikinkite, kad jie atitinka numatytus formatus ir diapazonus.
• Reguliarūs saugumo auditai: Atlikite reguliarius saugumo auditus, kad nustatytumėte ir pašalintumėte pažeidžiamumus. Programinę ir aparatinę įrangą nuolat atnaujinkite naujausiais saugumo pataisymais.
• Saugi tarpininko konfigūracija: Įsitikinkite, kad MQTT tarpininkas sukonfigūruotas saugiai, išjungiant nereikalingas funkcijas ir naudojant stiprius slaptažodžius. Peržiūrėkite tarpininko dokumentaciją dėl saugumo geriausių praktikų.

MQTT palyginimas su kitais IoT protokolais

Nors MQTT yra dominuojantis protokolas IoT pranešimams, egzistuoja ir kiti protokolai, kurių kiekvienas turi savo stipriųjų ir silpnųjų pusių. MQTT palyginimas su kai kuriomis alternatyvomis padeda suprasti jo padėtį:

• HTTP (Hypertext Transfer Protocol): HTTP yra plačiai naudojamas protokolas žiniatinklio komunikacijai, tačiau jis yra mažiau efektyvus IoT dėl didesnių pridėtinių sąnaudų. MQTT paprastai teikiama pirmenybė dėl mažesnio pralaidumo suvartojimo ir realaus laiko galimybių. HTTP yra pagrįstas užklausos/atsakymo principu, o MQTT yra valdomas įvykiais.
• CoAP (Constrained Application Protocol): CoAP yra lengvasvoris protokolas, skirtas ribotų galimybių įrenginiams, panašus į MQTT. Tačiau MQTT yra plačiau pritaikytas ir turi didesnę ekosistemą. CoAP naudoja UDP, todėl tinka labai mažos galios įrenginiams, tačiau jam taip pat reikia papildomų funkcijų patikimumui pasiekti.
• AMQP (Advanced Message Queuing Protocol): AMQP yra patikimesnis pranešimų protokolas nei MQTT, siūlantis pažangias funkcijas, tokias kaip pranešimų maršrutizavimas ir transakcijų valdymas. Tačiau AMQP yra sudėtingesnis ir reikalauja daugiau resursų nei MQTT. AMQP yra paplitęs finansų pramonėje.
• WebSockets: WebSockets suteikia pilno dvipusio ryšio galimybę per vieną TCP jungtį, todėl tinka realaus laiko programoms. Tačiau WebSockets turi didesnes pridėtines sąnaudas nei MQTT ir nėra taip gerai pritaikyti ribotų resursų įrenginiams. WebSockets paprastai naudojami žiniatinklio naršyklių programoms, kurios bendrauja su galinėmis sistemomis.

Protokolo pasirinkimas priklauso nuo konkrečių programos reikalavimų. MQTT yra geras pasirinkimas programoms, kurioms reikalingas lengvasvoris, patikimas ir keičiamo mastelio pranešimų perdavimas, o kiti protokolai gali būti tinkamesni programoms su skirtingais reikalavimais.

MQTT ateitis daiktų internete

Tikimasi, kad MQTT ir toliau vaidins lemiamą vaidmenį IoT ateityje. Augant prijungtų įrenginių skaičiui, efektyvių ir patikimų komunikacijos protokolų poreikis taps dar svarbesnis. Dėl MQTT lengvasvorės prigimties, mastelio keitimo galimybių ir patikimumo jis puikiai tinka būsimiems IoT diegimams.

Tikimasi, kad kelios tendencijos formuos MQTT ateitį:

• Krašto kompiuterija (Edge Computing): MQTT bus vis dažniau naudojamas krašto kompiuterijos scenarijuose, kur duomenys apdorojami arčiau šaltinio. Tai sumažins delsą ir pralaidumo suvartojimą.
• 5G ryšys: 5G atsiradimas leis greitesniam ir patikimesniam ryšiui IoT įrenginiams, dar labiau išplėsdamas MQTT galimybes.
• Standartizacija: Vykstančios pastangos standartizuoti MQTT pagerins sąveiką ir palengvins platesnį pritaikymą.
• Patobulintas saugumas: Nuolatinis saugumo funkcijų tobulinimas užtikrins, kad MQTT išliks saugiu protokolu IoT komunikacijai.
• Integracija su debesijos platformomis: Glaudesnė integracija su debesijos platformomis palengvins duomenų, surinktų iš IoT įrenginių naudojant MQTT, valdymą ir analizę.

Išvada

MQTT tapo nepakeičiamu protokolu IoT, suteikdamas lengvasvorį, patikimą ir keičiamo mastelio sprendimą įrenginiams sujungti ir sklandžiam duomenų apsikeitimui. Jo publikavimo-prenumeravimo architektūra, QoS lygiai ir saugumo funkcijos puikiai tinka įvairioms programoms, nuo išmaniųjų namų automatizavimo iki pramoninių valdymo sistemų. Suprasdami MQTT principus ir laikydamiesi geriausių diegimo praktikų, kūrėjai ir organizacijos gali išnaudoti jo galią kurdami inovatyvius IoT sprendimus, kurie didina efektyvumą, gerina sprendimų priėmimą ir transformuoja pramonės šakas visame pasaulyje.

IoT kraštovaizdžiui toliau evoliucionuojant, MQTT išliks prijungtų įrenginių komunikacijos kertiniu akmeniu, prisitaikydamas prie naujų iššūkių ir įgalindamas naujos kartos IoT programas. Suprasti ir įvaldyti MQTT yra būtina kiekvienam, dalyvaujančiam IoT sprendimų projektavime, kūrime ar diegime.