IoT protokoli: MQTT pret CoAP – Visaptverošs globāls ceļvedis pareizās izvēles veikšanai

Lietu internets (IoT) strauji pārveido nozares un ikdienas dzīvi visos kontinentos, sākot no viedpilsētām Āzijā līdz precīzajai lauksaimniecībai Eiropā un savienotās veselības risinājumiem Ziemeļamerikā. Šīs globālās transformācijas pamatā ir neskaitāmu ierīču spēja netraucēti un efektīvi sazināties. Šo saziņu regulē IoT protokoli, kas būtībā ir valodas, kuras ierīces izmanto, lai sazinātos savā starpā un ar mākoni. Starp daudzajiem pieejamajiem protokoliem divi izceļas ar savu plašo pielietojumu un piemērotību unikālajiem IoT izaicinājumiem: Ziņojumu rindošanas telemetrijas transports (MQTT) un Ierobežoto lietojumprogrammu protokols (CoAP).

Pareizā protokola izvēle ir kritisks lēmums, kas ietekmē sistēmas arhitektūru, mērogojamību, uzticamību un galu galā IoT risinājuma panākumus. Šis visaptverošais ceļvedis dziļi iedziļināsies MQTT un CoAP, analizējot to galvenās īpašības, izpētot to ideālos pielietojuma gadījumus ar globāliem piemēriem un nodrošinot stabilu ietvaru, kas palīdzēs jums pieņemt pamatotu lēmumu atbilstoši jūsu specifiskajām IoT vajadzībām, neatkarīgi no jūsu darbības vietas.

Izpratne par IoT protokolu būtību

Pirms mēs uzsākam detalizētu salīdzinājumu, ir svarīgi saprast, kāpēc specializēti protokoli ir neaizstājami IoT jomā. Atšķirībā no tradicionālās interneta komunikācijas, IoT vide bieži vien rada unikālus ierobežojumus:

• Ierīces ar ierobežotiem resursiem: Daudzām IoT ierīcēm, piemēram, sensoriem vai maziem izpildmehānismiem, ir ierobežota atmiņa, apstrādes jauda un akumulatora darbības laiks. Tās nevar atļauties pilnvērtīgu HTTP vai citu smagnēju protokolu radīto papildu slodzi.
• Neuzticami tīkli: IoT ierīces bieži darbojas vidēs ar pārtrauktu savienojamību, zemu joslas platumu vai augstu latentumu (piemēram, lauku apvidos, industriālajās zonās, attālās uzraudzības vietās).
• Mērogojamība: IoT risinājums var ietvert tūkstošiem vai pat miljoniem ierīču, kas ģenerē milzīgu datu apjomu, pieprasot protokolus, kas spēj efektīvi apstrādāt šādu mērogu.
• Drošība: Sensitīvu datu pārsūtīšana no attālām vietām prasa spēcīgus drošības mehānismus, lai novērstu nesankcionētu piekļuvi un datu viltošanu.
• Sadarbspēja: Dažādu ražotāju ierīcēm ir nepieciešams efektīvi sazināties, kas prasa standartizētas komunikācijas metodes.

MQTT un CoAP tika īpaši izstrādāti, lai risinātu šīs problēmas, piedāvājot vieglus, efektīvus un robustus komunikācijas mehānismus, kas pielāgoti daudzveidīgajai IoT ainavai.

MQTT: publicēšanas-abonēšanas modeļa spēks

Kas ir MQTT?

MQTT, OASIS standarts, ir viegls publicēšanas-abonēšanas ziņojumapmaiņas protokols, kas paredzēts ierīcēm ar ierobežotiem resursiem un zema joslas platuma, augsta latentuma vai neuzticamiem tīkliem. To izstrādāja IBM un Arcom 1999. gadā, un tas ir kļuvis par stūrakmeni daudziem liela mēroga IoT risinājumiem, pateicoties tā vienkāršībai un efektivitātei.

MQTT galvenās īpašības

MQTT darbības modelis fundamentāli atšķiras no tradicionālajām klients-serveris paradigmām. Lūk, tā galveno iezīmju sadalījums:

• Publicēšanas-abonēšanas ziņojumapmaiņas modelis:
  • Tā vietā, lai tieši sazinātos viens ar otru, klienti (ierīces) pieslēdzas MQTT brokerim.
  • Klienti var darboties kā publicētāji, sūtot ziņojumus par konkrētām tēmām (piemēram, "eka/stāvs1/telpa2/temperatura").
  • Klienti var darboties arī kā abonenti, norādot savu interesi saņemt ziņojumus no konkrētām tēmām.
  • Brokeris ir centrālais mezgls, kas saņem visus ziņojumus no publicētājiem un pārsūta tos visiem abonējušajiem klientiem. Šī publicētāju un abonentu atsaiste ir liela priekšrocība mērogojamības un elastības ziņā.
• Viegls un efektīvs:
  • MQTT galvene ir minimāla, padarot to ļoti efektīvu zema joslas platuma tīklos. Tipiska MQTT kontroles pakete var būt tikai 2 baitu liela.
  • Tas darbojas pār TCP/IP, nodrošinot uzticamu, sakārtotu un kļūdu pārbaudītu ziņojumu piegādi transporta slānī.
• Pakalpojuma kvalitātes (QoS) līmeņi: MQTT piedāvā trīs QoS līmeņus, ļaujot izstrādātājiem līdzsvarot uzticamību ar tīkla papildu slodzi:
  • QoS 0 (ne vairāk kā vienu reizi): Ziņojumi tiek nosūtīti bez apstiprinājuma. Šī ir ātrākā, bet vismazāk uzticamā opcija, piemērota nekritiskiem datiem, piemēram, apkārtējās gaismas rādījumiem, kur neregulāra atjauninājuma iztrūkums ir pieņemams.
  • QoS 1 (vismaz vienu reizi): Ziņojumu saņemšana ir garantēta, bet var rasties dublikāti. Sūtītājs atkārtoti sūta ziņojumu, līdz tiek saņemts apstiprinājums. Tas ir labs līdzsvars daudziem IoT lietojumiem, piemēram, statusa atjauninājumiem.
  • QoS 2 (precīzi vienu reizi): Ziņojumu saņemšana ir garantēta precīzi vienu reizi. Šī ir lēnākā, bet visuzticamākā opcija, kas ietver divfāzu rokasspiedienu starp sūtītāju un saņēmēju. Tā ir kritiski svarīga svarīgām komandām vai finanšu darījumiem.
• Sesijas noturība un pēdējā griba un testaments (Last Will and Testament):
  • Klienti var izveidot pastāvīgas sesijas ar brokeri, ļaujot saglabāt abonementus pat tad, ja klients atvienojas. Kad klients atkal pieslēdzas, tas saņem visus ziņojumus, kas publicēti, kamēr tas bija bezsaistē.
  • Pēdējās gribas un testamenta (LWT) funkcija ļauj klientam informēt brokeri par ziņojumu, kas jāpublicē konkrētā tēmā, ja klients negaidīti atvienojas (piemēram, strāvas zuduma dēļ). Tas ir nenovērtējami attālinātai uzraudzībai, norādot uz ierīču bojājumiem vai pārtraukumiem.
• Drošība: MQTT atbalsta TLS/SSL šifrēšanu drošai komunikācijai starp klientiem un brokeri, kā arī dažādus autentifikācijas/autorizācijas mehānismus (piemēram, lietotājvārds/parole, klienta sertifikāti).

Globāli pielietojuma gadījumi un MQTT piemēri

MQTT publicēšanas-abonēšanas modelis un efektivitāte padara to ideāli piemērotu plašam globālu IoT lietojumu klāstam:

• Viedā māja un ēku automatizācija: No dzīvojamiem kompleksiem Singapūrā līdz komerciāliem debesskrāpjiem Ņujorkā, MQTT veicina saziņu starp viedierīcēm, piemēram, apgaismojuma sistēmām, HVAC iekārtām, durvju slēdzenēm un drošības kamerām. Centrālais brokeris var pārvaldīt simtiem ierīču, nodrošinot netraucētu kontroli un automatizāciju, sūtot paziņojumus uz iedzīvotāju tālruņiem vai ēku pārvaldības sistēmām.
• Industriālais IoT (IIoT) un attālināta uzraudzība: Rūpnīcās visā Vācijā, ražotnēs Japānā vai naftas un gāzes laukos Tuvajos Austrumos MQTT savieno sensorus uz iekārtām ar mākoņa platformām. Tas nodrošina reāllaika iekārtu veiktspējas uzraudzību, prognozējošo apkopi un darbības efektivitātes uzlabojumus. Datus no neskaitāmiem sensoriem (temperatūra, spiediens, vibrācija) var apkopot un novirzīt analītikas dzinējiem, nodrošinot nepārtrauktu darbību un darbinieku drošību.
• Automobiļu rūpniecība: Savienotie automobiļi visā pasaulē izmanto MQTT telemetrijas datiem, programmaparatūras atjauninājumiem un saziņai ar mākoņpakalpojumiem. Transportlīdzekļa diagnostiku, atrašanās vietas izsekošanu un informācijas un izklaides sistēmas atjauninājumus var efektīvi pārvaldīt, izmantojot MQTT, nodrošinot drošu un mērogojamu platformu augošam transportlīdzekļu parkam visā pasaulē.
• Veselības aprūpe un attālināta pacientu uzraudzība: No klīnikām lauku Indijā līdz specializētām slimnīcām Zviedrijā MQTT tiek izmantots valkājamos veselības monitoros un medicīnas ierīcēs, lai pārraidītu vitālos rādītājus (sirdsdarbības ātrumu, asinsspiedienu, glikozes līmeni) veselības aprūpes sniedzējiem vai mākoņbāzētām veselības platformām. Tas nodrošina nepārtrauktu pacientu, īpaši gados vecāku vai hroniski slimu cilvēku, uzraudzību, ļaujot savlaicīgi iejaukties un uzlabot pacientu rezultātus.
• Loģistika un piegādes ķēdes izsekošana: Uzņēmumi, kas pārvalda globālās piegādes ķēdes, no konteinerkuģiem, kas šķērso okeānus, līdz piegādes kravas automašīnām Brazīlijā, izmanto MQTT, lai reāllaikā izsekotu preces. Sensori uz paletēm vai konteineriem var ziņot par atrašanās vietu, temperatūru un mitrumu, nodrošinot ātri bojājošos preču integritāti un optimizējot piegādes maršrutus.
• Lauksaimniecības tehnoloģijas (AgriTech): Lielās saimniecībās Austrālijā vai vīna dārzos Francijā MQTT sensoru sistēmas uzrauga augsnes mitrumu, barības vielu līmeni un laika apstākļus. Šie dati tiek publicēti centrālajā brokerī, ļaujot lauksaimniekiem pieņemt uz datiem balstītus lēmumus par apūdeņošanu, mēslošanu un kaitēkļu kontroli, optimizējot ražu un resursu izmantošanu.

MQTT priekšrocības

• Izcila mērogojamība: Uz brokeri centrētā arhitektūra ļauj miljoniem ierīču pieslēgties bez tiešas zināšanas vienai par otru, padarot to ļoti mērogojamu lielām IoT ekosistēmām.
• Atsaistīta komunikācija: Publicētājiem un abonentiem nav jāzina viens par otru, kas vienkāršo sistēmas projektēšanu un uzturēšanu.
• Tīkla efektivitāte: Tā minimālā papildu slodze un efektīva TCP savienojumu izmantošana padara to ideāli piemērotu zema joslas platuma un augsta latentuma tīkliem.
• Uzticama ziņojumapmaiņa: QoS līmeņi nodrošina detalizētu kontroli pār ziņojumu piegādes garantijām, no "labākā mēģinājuma" līdz "precīzi vienu reizi".
• Uz notikumiem balstīta un reāllaika: Ideāli piemērots scenārijiem, kur nepieciešami tūlītēji atjauninājumi vai komandas, piemēram, brīdinājumi vai kontroles signāli.
• Plaša adopcija un ekosistēma: Nobriedis standarts ar plašām klientu bibliotēkām dažādām programmēšanas valodām un robustām brokeru implementācijām, kas atvieglo izstrādi.

MQTT trūkumi

• Nepieciešams brokeris: Centrālais brokeris ir būtisks visai komunikācijai, radot vienotu kļūmes punktu (lai gan augstas pieejamības brokeri to var mazināt) un papildu infrastruktūras komponentu, kas jāpārvalda.
• Nav dabiski draudzīgs HTTP: Lai gan vārtejas var savienot MQTT ar HTTP, tas nav dabiski saderīgs ar tīmekļa pārlūkprogrammām vai RESTful API bez konvertēšanas.
• Papildu slodze ļoti maziem ziņojumiem: Lai gan kopumā viegls, ļoti mazām datu paketēm (piemēram, vienam baitam) TCP/IP un MQTT galvenes papildu slodze joprojām var būt nesamērīgi liela.
• Stāvokļa pārvaldība: Abonementu un sesiju pārvaldība milzīgam klientu skaitam var kļūt sarežģīta brokerim.

CoAP: uz tīmekli orientēts vieglsvars

Kas ir CoAP?

CoAP ir IETF standarta protokols, kas paredzēts ļoti ierobežotām ierīcēm, bieži vien tām, kurām ir minimāli resursi un kuras darbojas vidēs, kur UDP ir priekšroka vai tas ir nepieciešams. Tas ienes pazīstamo tīmekļa RESTful (Representational State Transfer) arhitektūru IoT pasaulē, ļaujot ierīcēm mijiedarboties ar resursiem, izmantojot metodes, kas līdzīgas HTTP (GET, PUT, POST, DELETE).

CoAP galvenās īpašības

CoAP mērķis ir nodrošināt tīmeklim līdzīgu pieredzi pat vismazākajām ierīcēm:

• Pieprasījuma-atbildes modelis:
  • Līdzīgi kā HTTP, CoAP darbojas pēc tradicionālā klients-serveris modeļa. Klients nosūta pieprasījumu serverim (IoT ierīcei ar resursiem), un serveris atbild ar atbildi.
  • Resursi tiek identificēti ar URI, tāpat kā tīmeklī (piemēram, coap://device.example.com/sensors/temperature).
• Uz UDP balstīts transports:
  • CoAP galvenokārt izmanto UDP (User Datagram Protocol) TCP vietā. UDP ir bezsavienojuma un tam ir ievērojami mazāka papildu slodze nekā TCP, padarot to ideāli piemērotu ierīcēm ar ļoti ierobežotu atmiņu un jaudu.
  • Lai kompensētu UDP neuzticamību, CoAP tieši protokolā ievieš savus vieglus uzticamības mehānismus (atkārtotas pārraides, apstiprinājumus). Tas nozīmē, ka CoAP ziņojumi var būt "apstiprināmi" (nepieciešams apstiprinājums) vai "neapstiprināmi" (nosūtīt un aizmirst).
• RESTful saskarne:
  • CoAP atbalsta standarta metodes, piemēram, GET (iegūt resursa attēlojumu), POST (izveidot vai atjaunināt resursu), PUT (atjaunināt/aizstāt resursu) un DELETE (noņemt resursu). Tas padara to intuitīvu tīmekļa izstrādātājiem, kas pazīstami ar HTTP.
  • Tas izmanto tādus jēdzienus kā vienotie resursu identifikatori (URI) resursu adresēšanai un satura tipi datu formātiem.
• Minimāla papildu slodze: CoAP galvenes ir ārkārtīgi kompaktas (parasti 4 baiti), ļaujot ļoti maziem ziņojumu izmēriem. Tas ir kritiski svarīgi ārkārtīgi ierobežotām ierīcēm un mazjaudas bezvadu tīkliem.
• Resursu atklāšana: CoAP ietver mehānismus, lai atklātu resursus, kas pieejami CoAP serverī (ierīcē), līdzīgi kā tīmekļa serveris varētu uzskaitīt pieejamās lapas. Tas ir noderīgi dinamiskām ierīču vidēm.
• Opcija "Observe": Lai gan galvenokārt pieprasījuma-atbildes modelis, CoAP piedāvā opciju "Observe", kas nodrošina ierobežotu publicēšanas-abonēšanas formu. Klients var "novērot" resursu, un serveris laika gaitā nosūtīs šī resursa atjauninājumus bez atkārtotas aptaujas. Tas ir efektīvāk nekā pastāvīga izmaiņu aptaujāšana.
• Bloku pārsūtīšana: Lai pārsūtītu lielākus datu apjomus, CoAP nodrošina bloku pārsūtīšanas mehānismu, sadalot datus mazākos blokos, lai tie ietilptu ierobežoto tīklu tipiskajos MTU (Maximum Transmission Units).
• Starpniekservera un kešatmiņas atbalsts: CoAP dabiski atbalsta starpniekserverus, kas var tulkot CoAP pieprasījumus uz HTTP un otrādi, mazinot plaisu starp ierobežotām ierīcēm un plašāko tīmekli. Atbilžu kešatmiņa arī tiek dabiski atbalstīta, samazinot liekus pieprasījumus.
• Drošība: CoAP parasti izmanto Datagram Transport Layer Security (DTLS) drošai komunikācijai pār UDP, nodrošinot šifrēšanu, autentifikāciju un integritāti, līdzīgi kā TLS priekš TCP.

Globāli pielietojuma gadījumi un CoAP piemēri

CoAP efektivitāte un vienkāršība padara to piemērotu ļoti resursu ierobežotiem scenārijiem un tiešai ierīču savstarpējai mijiedarbībai:

• Bezvadu sensoru tīkli (WSN): Attālās vides monitoringa stacijās Amazones lietus mežos, viedā ielu apgaismojumā Kopenhāgenā vai lauksaimniecības laukos lauku Ķīnā CoAP ir izcils. Ierīces ar minimālu jaudu un apstrādes spējām var efektīvi sūtīt mazas datu paketes (piemēram, temperatūru, mitrumu, gaismas intensitāti) vai saņemt vienkāršas komandas (piemēram, ieslēgt/izslēgt). Tā UDP pamats ir labi piemērots mazjaudas bezvadu protokoliem, piemēram, 6LoWPAN.
• Viedpilsētu infrastruktūra: Ar baterijām darbināmiem autostāvvietu sensoriem dažādos pilsētu centros no Tokijas līdz Londonai vai inteliģentām atkritumu tvertnēm viedajos rajonos CoAP minimālā papildu slodze un UDP efektivitāte nodrošina ilgu akumulatora darbības laiku un ātru izvietošanu. Šīs ierīces var bieži ziņot par savu statusu vai klātbūtni, strauji neizlādējot enerģiju.
• Ēku automatizācija pie malas (edge): Komerciālās ēkās Dubaijā vai dzīvojamos kompleksos Kanādā CoAP tiek izmantots tiešai mazu izpildmehānismu un sensoru, piemēram, viedo durvju slēdzeņu, logu sensoru vai vienkāršu gaismas slēdžu, vadībai. Tā pieprasījuma-atbildes modelis ir intuitīvs individuālām komandu un kontroles operācijām.
• Enerģijas pārvaldības sistēmas: Viedajos tīklos vai mikrotīklos, īpaši jaunattīstības reģionos ar mazāk stabilu infrastruktūru, CoAP var izmantot saziņai ar viedajiem skaitītājiem vai enerģijas patēriņa sensoriem. Tā zemais resursu patēriņš padara to dzīvotspējīgu ierīcēm, kas izvietotas sarežģītās vidēs.
• Valkājamās ierīces un personīgās veselības sīkrīki: Kompaktām, ar baterijām darbināmām valkājamām ierīcēm, kurām nepieciešams laiku pa laikam nosūtīt nelielas datu paketes (piemēram, aktivitātes izsekotāja atjauninājumus, vienkāršus brīdinājumus) uz tuvējo vārteju vai viedtālruni, CoAP piedāvā efektīvu risinājumu.
• Mazumtirdzniecība un aktīvu izsekošana: Lielās noliktavās vai mazumtirdzniecības telpās Meksikā vai Dienvidāfrikā CoAP var izmantot, lai izsekotu inventāru ar mazjaudas birkām, sūtot atrašanās vietas atjauninājumus vai statusa izmaiņas atsevišķām precēm.

CoAP priekšrocības

• Ārkārtīgi zema papildu slodze: Tā minimālais ziņojuma izmērs un UDP transports padara to neticami efektīvu ļoti ierobežotām ierīcēm un tīkliem.
• Piemērots ierobežotām ierīcēm: Izstrādāts no pašiem pamatiem mikrokontrolieriem ar ierobežotu atmiņu, apstrādes jaudu un akumulatora darbības laiku.
• Tīmekļa integrācija: Tā RESTful daba un HTTP līdzīgās metodes padara to viegli integrējamu ar tradicionālajiem tīmekļa pakalpojumiem, izmantojot starpniekserverus.
• Tieša ierīču savstarpēja komunikācija: CoAP var izmantot tiešai komunikācijai starp ierīcēm, neprasot starpnieku brokeri, kas vienkāršo noteiktas tīkla topoloģijas.
• Multiraides atbalsts: Izmantojot UDP multiraides iespējas, CoAP var efektīvi nosūtīt ziņojumus ierīču grupām.
• Resursu atklāšana: Dabisks atbalsts pieejamo resursu atklāšanai ierīcē.

CoAP trūkumi

• Mazāk mērogojams daudzi-daudziem saziņai: Lai gan "Observe" nodrošina pub-sub līdzīgu funkciju, CoAP pamatā esošais pieprasījuma-atbildes modelis ir mazāk efektīvs nekā MQTT specializētais pub-sub modelis liela mēroga fan-out (viens publicētājs daudziem abonentiem) gadījumā.
• UDP uzticamības pārvaldība: Lai gan CoAP pievieno savu uzticamību, tā nav tik robusta vai universāli pārvaldīta kā TCP iebūvētie mehānismi, kas prasa rūpīgu implementāciju.
• Nav dabisks "push" modelis: "Observe" mehānisms ir uz "pull" balstīts paziņojums, nevis patiess, brokera vadīts "push" modelis, un pastāvīgi "Observe" savienojumi laika gaitā var patērēt vairāk resursu.
• Mazāk nobriedusi ekosistēma (salīdzinājumā ar MQTT): Lai gan augoša, CoAP ir mazāk plaši izplatītu brokeru implementāciju un kopienas atbalsta, salīdzinot ar nobriedušo MQTT ekosistēmu.
• Tīkla adrešu tulkošanas (NAT) šķērsošana: Uz UDP balstīti protokoli var saskarties ar izaicinājumiem NAT šķērsošanā sarežģītās tīkla konfigurācijās, potenciāli prasot papildu iestatījumus globālai sasniedzamībai.

MQTT pret CoAP: Salīdzinājums līdzās

Lai izceltu atšķirības un palīdzētu lēmumu pieņemšanā, aplūkosim MQTT un CoAP galvenajās dimensijās:

Komunikācijas modelis:

• MQTT: Publicēt-abonēt (asinhroni). Publicētāji un abonenti ir atsaistīti ar brokeri. Ideāli piemērots viens-daudziem un daudzi-daudziem komunikācijai.
• CoAP: Pieprasījums-atbilde (sinhroni/asinhroni ar 'Observe'). Klients pieprasa resursu, serveris atbild. Līdzīgi kā HTTP. Ideāli piemērots viens-vienam komunikācijai.

Transporta slānis:

• MQTT: TCP (Transmission Control Protocol). Nodrošina iebūvētu uzticamību, plūsmas kontroli un kļūdu pārbaudi, nodrošinot sakārtotu piegādi.
• CoAP: UDP (User Datagram Protocol). Bezsavienojuma un bezstāvokļa, ar minimālu papildu slodzi. CoAP pievieno savu uzticamības slāni (apstiprināmi ziņojumi, atkārtotas pārraides) virs UDP.

Papildu slodze un ziņojuma izmērs:

• MQTT: Salīdzinoši viegls (minimāla galvene, parasti 2 baitu fiksēta galvene + mainīga galvene). Tomēr gūst labumu no TCP savienojuma izveides.
• CoAP: Ārkārtīgi viegls (parasti 4 baitu fiksēta galvene). Ļoti efektīvs mazākajiem ziņojumiem, īpaši mazjaudas bezvadu tīklos.

Brokera/servera prasība:

• MQTT: Nepieciešams centrālais MQTT brokeris, lai nodrošinātu visu komunikāciju.
• CoAP: Nav nepieciešams brokeris tiešai ierīču savstarpējai komunikācijai. Ierīces darbojas kā CoAP klienti un serveri. Var izmantot starpniekserverus, lai izveidotu savienojumu ar tīmekli.

Uzticamība:

• MQTT: Manto TCP uzticamību. Piedāvā trīs QoS līmeņus (0, 1, 2) skaidrām ziņojumu piegādes garantijām.
• CoAP: Ievieš savu uzticamību (apstiprināmi ziņojumi ar apstiprinājumiem un atkārtotām pārraidēm) pār UDP. Mazāk robusts neuzticamiem tīkliem nekā TCP raksturīgā uzticamība.

Drošība:

• MQTT: Nodrošināts, izmantojot TLS/SSL pār TCP šifrēšanai un autentifikācijai.
• CoAP: Nodrošināts, izmantojot DTLS (Datagram Transport Layer Security) pār UDP šifrēšanai un autentifikācijai.

Tīmekļa integrācija:

• MQTT: Nav dabiski draudzīgs tīmeklim; nepieciešams tilts vai vārteja, lai mijiedarbotos ar HTTP bāzētiem tīmekļa pakalpojumiem.
• CoAP: Izstrādāts, lai to varētu viegli kartēt uz HTTP, un bieži izmanto CoAP-HTTP starpniekserverus, lai integrētos ar tīmekļa lietojumprogrammām.

Ideālie pielietojuma gadījumi:

• MQTT: Liela mēroga IoT risinājumi, uz mākoni centrētas arhitektūras, reāllaika datu straumēšana, uz notikumiem balstītas sistēmas, mobilās lietojumprogrammas, industriālā automatizācija, kur daudzas ierīces publicē daudziem abonentiem.
• CoAP: Ļoti resursu ierobežotas ierīces, lokāla ierīču savstarpēja komunikācija, mazjaudas bezvadu tīkli (piemēram, 6LoWPAN), sensoru/izpildmehānismu tīkli, RESTful IoT API, kur nepieciešama tieša mijiedarbība ar konkrētiem resursiem.

Pareizā protokola izvēle: Lēmumu pieņemšanas ietvars globāliem IoT risinājumiem

Izvēle starp MQTT un CoAP nav jautājums par to, kurš protokols ir pēc būtības "labāks", bet gan par to, kurš ir vislabāk piemērots jūsu IoT risinājuma specifiskajām prasībām un ierobežojumiem. Globāla perspektīva prasa ņemt vērā dažādus tīkla apstākļus, ierīču spējas un regulatīvo vidi. Lūk, lēmumu pieņemšanas ietvars:

Apsveramie faktori

Novērtējiet šos sava IoT projekta aspektus:

• Ierīču ierobežojumi:
  • Atmiņa un apstrādes jauda: Cik ierobežotas ir jūsu ierīces? Ja tām ir daži kilobaiti RAM un lēni mikrokontrolieri, CoAP varētu būt labāks variants. Ja tām ir būtiskāki resursi (piemēram, Raspberry Pi, ESP32), MQTT ir pilnībā dzīvotspējīgs.
  • Akumulatora darbības laiks: UDP (CoAP) parasti patērē mazāk enerģijas īsiem komunikācijas pārrāvumiem, jo nav savienojuma papildu slodzes, kas var būt kritiski svarīgi gadiem ilgam akumulatora darbības laikam. TCP (MQTT) prasa pastāvīgu savienojumu, kas var būt energoietilpīgāks, ja to rūpīgi nepārvalda.
• Tīkla ierobežojumi:
  • Joslas platums: Abi ir viegli, bet CoAP ir nedaudz mazāka galvene, kas var būt nozīmīgi ārkārtīgi zema joslas platuma tīklos (piemēram, LPWAN kā Sigfox, LoRaWAN – lai gan tiem bieži ir savi lietojumprogrammu slāņa protokoli, ar kuriem CoAP var sasaistīties).
  • Latentums un uzticamība: Ja tīkls ir ļoti neuzticams vai pakļauts augstam latentumam, MQTT QoS līmeņi un TCP raksturīgā uzticamība varētu būt priekšroka. CoAP atkārtotās pārraides darbojas, bet UDP bezsavienojuma daba var būt mazāk paredzama ļoti zudumainos savienojumos.
  • Tīkla topoloģija: Vai ierīces atrodas aiz sarežģītiem NAT vai ugunsmūriem? MQTT brokera modelis bieži vienkāršo ugunsmūra šķērsošanu izejošajiem savienojumiem. CoAP (UDP) var būt sarežģītāks tiešai peer-to-peer saziņai internetā.
• Komunikācijas modelis:
  • Publicēt-abonēt (daudzi-daudziem): Vai jums ir nepieciešams, lai viena ierīce nosūtītu datus daudzām ieinteresētajām pusēm, vai apkopot datus no daudzām ierīcēm uz centrālo sistēmu? MQTT šeit ir nepārprotams uzvarētājs.
  • Pieprasījums-atbilde (viens-vienam): Vai jums ir nepieciešams aptaujāt konkrētu ierīci par tās statusu vai nosūtīt tiešu komandu izpildmehānismam? CoAP šajā modelī ir izcils.
  • Uz notikumiem balstīts pret aptaujāšanu: Reāllaika notikumu paziņojumiem MQTT "push" modelis ir pārāks. CoAP "Observe" opcija var nodrošināt "push" līdzīgu uzvedību, bet ir vairāk piemērota konkrētu resursu izmaiņu novērošanai.
• Mērogojamības prasības:
  • Cik daudz ierīču tiks savienotas? Cik daudz datu tiks apmainīti? MQTT brokera arhitektūra ir paredzēta masveida mērogojamībai, apstrādājot miljoniem vienlaicīgu savienojumu. CoAP ir mērogojams daudziem resursiem, bet tā fundamentālais pieprasījuma-atbildes raksturs ir mazāk efektīvs lielu datu apjomu apraidei daudziem abonentiem.
• Integrācija ar esošajām sistēmām un tīmekli:
  • Vai jūs veidojat uz tīmekli centrētu IoT risinājumu, kur ierīces atklāj resursus, kuriem var piekļūt kā tīmekļa lapām? CoAP RESTful daba labi saskan ar šo.
  • Vai jūs integrējaties ar uzņēmumu ziņojumu rindām vai lielo datu platformām? MQTT bieži ir vairāk tiešu savienotāju un integrāciju, pateicoties tā popularitātei uzņēmumu ziņojumapmaiņā.
• Drošības vajadzības:
  • Abi atbalsta spēcīgu šifrēšanu (TLS/DTLS). Apsveriet drošu savienojumu izveides un uzturēšanas papildu slodzi ļoti ierobežotām ierīcēm.
• Izstrādātāju ekosistēma un atbalsts:
  • Cik nobriedusi ir kopiena un pieejamās klientu bibliotēkas jūsu izvēlētajai izstrādes videi? MQTT parasti ir lielāka un nobriedušāka ekosistēma visā pasaulē.

Kad izvēlēties MQTT

Izvēlieties MQTT, ja jūsu IoT risinājums ietver:

• Liela mēroga sensoru tīklus un telemetrijas sistēmas (piemēram, viedpilsētu gaisa kvalitātes monitorings, lauksaimniecības klimata kontrole plašos laukos Brazīlijā).
• Nepieciešamību pēc centralizētas datu vākšanas un izplatīšanas vairākām lietojumprogrammām vai paneļiem (piemēram, viedās rūpnīcas operācijas Ķīnā, kur ražošanas dati tiek koplietoti ar vadību, analītiku un apkopes komandām).
• Uz notikumiem balstītas arhitektūras, kur reāllaika brīdinājumi vai komandas ir kritiski svarīgas (piemēram, drošības sistēmas pārkāpumu paziņojumi, ārkārtas medicīniskie brīdinājumi no valkājamām ierīcēm).
• Ierīces, kas var uzturēt pastāvīgu savienojumu vai viegli atjaunot savienojumu (piemēram, ierīces ar stabilu barošanas avotu vai mobilo savienojamību).
• Divvirzienu komunikāciju, kur gan no mākoņa uz ierīci nosūtītās komandas, gan no ierīces uz mākoni nosūtītie dati ir bieži.
• Integrāciju ar mobilajām lietojumprogrammām vai tīmekļa pakalpojumiem, kas gūst labumu no "push" paziņojumiem.
• Scenārijus, kur ziņojumu piegādes garantijas (QoS) ir būtiskas, piemēram, kritiski kontroles signāli vai finanšu darījumi.

Kad izvēlēties CoAP

Apsveriet CoAP savam IoT risinājumam, ja:

• Jūs strādājat ar ārkārtīgi resursu ierobežotām ierīcēm (piemēram, ar baterijām darbināmiem sensoriem ar sīkiem mikrokontrolieriem attālos Āfrikas ciematos).
• Tīkla vide galvenokārt ir mazjaudas bezvadu (piemēram, 6LoWPAN pār Thread vai Zigbee, vai ierobežots Wi-Fi), kur UDP efektivitāte ir vissvarīgākā.
• Komunikācija pārsvarā ir pieprasījums-atbilde, kur klients aptaujā konkrētu resursu ierīcē vai nosūta tiešu komandu (piemēram, nolasot konkrētu vērtību no viedā skaitītāja, pārslēdzot gaismas slēdzi).
• Jums ir nepieciešama tieša ierīču savstarpēja komunikācija bez starpnieka brokera (piemēram, viedais gaismas slēdzis tieši sazinās ar viedo spuldzi lokālajā tīklā).
• Sistēmas arhitektūra dabiski atbilst RESTful tīmekļa modelim, kur ierīces atklāj 'resursus', kuriem jāpiekļūst vai ar kuriem jāmanipulē, izmantojot URI.
• Multiraides komunikācija ierīču grupām ir prasība (piemēram, nosūtot komandu visiem ielu apgaismojumiem noteiktā zonā).
• Galvenais pielietojuma gadījums ietver periodiskas resursa novērošanas, nevis nepārtrauktu straumēšanu (piemēram, novērojot temperatūras sensoru izmaiņām ik pēc dažām minūtēm).

Hibrīdas pieejas un vārtejas

Ir svarīgi atzīt, ka MQTT un CoAP nav savstarpēji izslēdzoši. Daudzi sarežģīti IoT risinājumi, īpaši tie, kas aptver dažādas ģeogrāfijas un ierīču tipus, izmanto hibrīdu pieeju:

• Malas vārtejas (Edge Gateways): Bieži sastopamā shēmā ļoti ierobežotas CoAP ierīces sazinās ar lokālu malas vārteju (piemēram, lokālu serveri vai jaudīgāku iegulto ierīci). Šī vārteja pēc tam apkopo datus, veic lokālu apstrādi un pārsūta attiecīgo informāciju uz mākoni, izmantojot MQTT. Tas samazina slogu atsevišķām ierobežotām ierīcēm un optimizē mākoņsavienojamību. Piemēram, lielā saimniecībā lauku Austrālijā CoAP sensori vāc augsnes datus un nosūta tos uz lokālu vārteju; vārteja pēc tam izmanto MQTT, lai nosūtītu apkopotos datus uz mākoņa analītikas platformu Sidnejā.
• Protokolu tulkošana: Vārtejas var darboties arī kā protokolu tulkotāji, pārvēršot CoAP ziņojumus uz MQTT (un otrādi) vai HTTP, nodrošinot netraucētu integrāciju starp dažādām IoT ekosistēmas daļām. Tas ir īpaši noderīgi, integrējot jaunas ierobežotas ierīces esošā MQTT bāzētā mākoņa infrastruktūrā.

Drošības apsvērumi abiem protokoliem

Drošība ir vissvarīgākā jebkurā IoT risinājumā, īpaši globālā kontekstā, kur datu privātuma regulējumi (piemēram, GDPR Eiropā vai dažādi datu aizsardzības akti Āzijā un Amerikā) un kiberdraudi ir pastāvīgi klātesoši. Gan MQTT, gan CoAP piedāvā mehānismus komunikācijas drošībai:

• Šifrēšana:
  • MQTT: Parasti izmanto TLS/SSL (Transport Layer Security/Secure Sockets Layer) pār TCP. Tas šifrē visu komunikācijas kanālu starp klientu un brokeri, aizsargājot datus no noklausīšanās.
  • CoAP: Izmanto DTLS (Datagram Transport Layer Security) pār UDP. DTLS nodrošina līdzīgu kriptogrāfisko drošību kā TLS, bet ir pielāgots bezsavienojuma datagrammu protokoliem.
• Autentifikācija:
  • Abi protokoli atbalsta klienta un servera autentifikāciju. MQTT gadījumā tas bieži ietver lietotājvārdu/paroli, klienta sertifikātus vai OAuth marķierus. CoAP gadījumā bieži tiek izmantotas iepriekš koplietotas atslēgas (PSK) vai X.509 sertifikāti ar DTLS. Robusta autentifikācija nodrošina, ka tikai leģitīmas ierīces un lietotāji var piedalīties tīklā.
• Autorizācija:
  • Papildus autentifikācijai, autorizācija nosaka, ko autentificēti klienti drīkst darīt. MQTT brokeri nodrošina piekļuves kontroles sarakstus (ACL), lai definētu, kuri klienti var publicēt vai abonēt konkrētas tēmas. CoAP serveri kontrolē piekļuvi konkrētiem resursiem, pamatojoties uz klienta akreditācijas datiem.
• Datu integritāte: Gan TLS, gan DTLS nodrošina mehānismus, lai nodrošinātu, ka ziņojumi nav tikuši bojāti pārraides laikā.

Neatkarīgi no izvēlētā protokola, spēcīgas drošības ieviešana nav apspriežama. Tas ietver drošu atslēgu pārvaldību, regulāras drošības revīzijas un labāko prakšu, piemēram, mazāko privilēģiju principa, ievērošanu ierīču piekļuvei.

Nākotnes tendences un attīstība IoT protokolos

IoT ainava ir dinamiska, un protokoli turpina attīstīties. Lai gan MQTT un CoAP joprojām dominē, vairākas tendences veido to nākotni un jaunu risinājumu rašanos:

• Malu skaitļošana (Edge Computing): Malu skaitļošanas pieaugums veicina hibrīdas arhitektūras. Tā kā arvien vairāk apstrādes tiek pārvietots tuvāk datu avotiem, protokoli, kas nodrošina efektīvu vietējo ierīču savstarpējo un ierīču-malas komunikāciju (piemēram, CoAP), turpinās būt būtiski, papildinot uz mākoni centrētus protokolus (piemēram, MQTT).
• Standartizācija un sadarbspēja: Centieni standartizēt datu modeļus un semantisko sadarbspēju (piemēram, izmantojot ietvarus kā OPC UA vai oneM2M, kas var darboties pār MQTT/CoAP) uzlabos netraucētu komunikāciju dažādās IoT ekosistēmās visā pasaulē.
• Uzlabotas drošības funkcijas: Līdz ar draudu attīstību, attīstīsies arī drošības pasākumi. Sagaidāmi nepārtraukti uzlabojumi vieglās kriptogrāfijas tehnikās, kas piemērotas ierobežotām ierīcēm, un sarežģītāki identitātes pārvaldības risinājumi.
• Integrācija ar 5G un LPWAN: 5G ieviešana un zemas jaudas plaša apgabala tīklu (LPWAN, piemēram, NB-IoT, LTE-M) nepārtraukta paplašināšanās ietekmēs protokolu izvēli. Lai gan LPWAN tīkliem bieži ir savi specifiski slāņi, efektīvi lietojumprogrammu protokoli kā MQTT-SN (MQTT sensoru tīkliem) vai CoAP ir būtiski, lai optimizētu datu apmaiņu pār šīm jaunajām radio tehnoloģijām, īpaši plašās ģeogrāfiskās teritorijās.
• Alternatīvi/papildinoši protokoli: Lai gan tieši nekonkurē, protokoli kā AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) uzņēmumu ziņojumapmaiņai un DDS (Data Distribution Service) reāllaika, augstas veiktspējas sistēmām tiek izmantoti specifiskās IoT nišās, bieži vien līdzās vai kopā ar MQTT dažādiem risinājuma slāņiem.

Secinājums

IoT protokola izvēle ir fundamentāls lēmums, kas veido visas jūsu IoT ekosistēmas efektivitāti, mērogojamību un noturību. Gan MQTT, gan CoAP ir spēcīgi, viegli protokoli, kas paredzēti, lai apmierinātu savienoto ierīču unikālās prasības, bet tie apmierina dažādas vajadzības un pielietojuma gadījumus.

MQTT spīd liela mēroga, daudzi-daudziem komunikācijas scenārijos, piedāvājot robustu uzticamību un ļoti mērogojamu publicēšanas-abonēšanas modeli, padarot to ideāli piemērotu uz mākoni centrētai datu agregācijai un reāllaika notikumiem. Tā briedums un plašā ekosistēma nodrošina plašu izstrādes atbalstu.

CoAP, no otras puses, ir čempions visvairāk resursu ierobežotām ierīcēm un tīkliem, izceļoties viens-vienam komunikācijā un tiešā ierīču kontrolē ar savu vienkāršo, tīmeklim draudzīgo RESTful pieeju. Tas ir īpaši labi piemērots malas risinājumiem un ierīcēm ar minimālu enerģijas budžetu.

Globāliem IoT risinājumiem ierīču spēju, tīkla apstākļu, komunikācijas modeļu un drošības prasību nianšu izpratne ir vissvarīgākā. Rūpīgi izsverot šos faktorus pret MQTT un CoAP stiprajām un vājajām pusēm un apsverot hibrīdas arhitektūras, jūs varat izstrādāt IoT risinājumu, kas ir ne tikai robusts un efektīvs, bet arī pielāgojams daudzveidīgajām un pastāvīgi mainīgajām globālās savienotās pasaules prasībām. Pareizā protokola izvēle nodrošina, ka jūsu IoT vīzija patiesi var pārvarēt ģeogrāfiskās robežas un atraisīt savu pilno potenciālu.