MQTT protokols: IoT ziņojumu rindu mugurkauls

Lietu internets (IoT) ir revolucionizējis nozares visā pasaulē, savienojot miljardiem ierīču un nodrošinot nepieredzētu automatizācijas, datu vākšanas un attālinātās vadības līmeni. Šīs revolūcijas pamatā ir nepieciešamība pēc efektīvas un uzticamas komunikācijas starp šīm ierīcēm. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ir kļuvis par de facto standartu IoT ziņojumapmaiņai, nodrošinot vieglu un elastīgu risinājumu ierīču ar ierobežotiem resursiem un joslas platumu savienošanai.

Kas ir MQTT?

MQTT ir viegls, publicēšanas-abonēšanas tīkla protokols, kas transportē ziņojumus starp ierīcēm. Tas ir paredzēts savienojumiem ar attālām vietām, kur joslas platums ir ierobežots, piemēram, mašīna-mašīnai (M2M) un IoT vidēs. Tā vienkāršība un efektivitāte padara to ideāli piemērotu plašam lietojumprogrammu klāstam, sākot no mājas automatizācijas līdz rūpnieciskās vadības sistēmām.

Galvenās MQTT iezīmes:

• Viegls: MQTT ir maza koda nospiedums un prasa minimālu joslas platumu, padarot to piemērotu ierīcēm ar ierobežotiem resursiem.
• Publicēt-Abonēt: MQTT izmanto publicēšanas-abonēšanas modeli, kas atdala ziņojumu sūtītājus (publicētājus) no ziņojumu saņēmējiem (abonentiem). Tas nodrošina elastīgu un mērogojamu komunikāciju.
• Pakalpojuma kvalitāte (QoS): MQTT piedāvā trīs QoS līmeņus, lai nodrošinātu ziņojumu piegādes uzticamību pat nestabilos tīkla apstākļos.
• Pastāvīgās sesijas: MQTT atbalsta pastāvīgās sesijas, kas ļauj klientiem atjaunot savienojumu un atsākt komunikāciju, nezaudējot ziņojumus.
• Pēdējā griba un testaments: MQTT ļauj klientiem definēt "pēdējās gribas un testamenta" ziņojumu, ko brokeris publicē, ja klients negaidīti atvienojas.
• Drošība: MQTT atbalsta šifrēšanu un autentifikāciju, lai aizsargātu sensitīvus datus.

MQTT arhitektūra

MQTT seko publicēšanas-abonēšanas arhitektūrai, kas ietver trīs galvenās sastāvdaļas:

• MQTT klienti: Tās ir ierīces vai lietojumprogrammas, kas savienojas ar MQTT brokeri un vai nu publicē ziņojumus, vai abonē tēmas. Klienti var būt jebkas, sākot no sensoriem un izpildmehānismiem līdz mobilajām lietotnēm un servera puses lietojumprogrammām.
• MQTT brokeris: Šis ir centrālais mezgls, kas saņem ziņojumus no publicētājiem un pārsūta tos abonentiem, pamatojoties uz viņu tēmu abonementiem. Brokeris ir atbildīgs par klientu savienojumu pārvaldību, ziņojumu maršrutēšanas apstrādi un ziņojumu piegādes nodrošināšanu atbilstoši norādītajam QoS līmenim. Populāri MQTT brokeri ir Mosquitto, HiveMQ un EMQX.
• Tēmas: Tēmas ir hierarhiskas virknes, kas tiek izmantotas ziņojumu kategorizēšanai. Publicētāji sūta ziņojumus uz konkrētām tēmām, un abonenti abonē tēmas, lai saņemtu ziņojumus. Tēmas nodrošina elastīgu un detalizētu ziņojumu maršrutēšanu. Piemēram, tēma temperatūras rādījumiem no sensora konkrētā telpā varētu būt "sensori/telpa1/temperatura".

Publicēšanas-abonēšanas modelis atdala publicētājus un abonentus, nodrošinot elastīgu un mērogojamu komunikāciju. Publicētājiem nav jāzina, kas abonē viņu ziņojumus, un abonentiem nav jāzina, kas publicē ziņojumus. Tas atvieglo klientu pievienošanu vai noņemšanu, neietekmējot kopējo sistēmu.

MQTT pakalpojuma kvalitātes (QoS) līmeņi

MQTT definē trīs pakalpojuma kvalitātes (QoS) līmeņus, lai nodrošinātu ziņojumu piegādes uzticamību:

• QoS 0 (Augstākais vienu reizi): Šis ir vienkāršākais un ātrākais QoS līmenis. Ziņojums tiek nosūtīts vienreiz, un nav nepieciešams apstiprinājums. Ziņojums var tikt zaudēts, ja tīkla savienojums ir neuzticams. To bieži dēvē par "šauj un aizmirsti".
• QoS 1 (Vismaz vienu reizi): Tiek garantēts, ka ziņojums abonentam tiks piegādāts vismaz vienu reizi. Publicētājs atkārtoti nosūta ziņojumu, līdz saņem apstiprinājumu (PUBACK) no brokera. Ziņojums var tikt piegādāts vairākas reizes, ja apstiprinājums tiek zaudēts.
• QoS 2 (Tieši vienu reizi): Tiek garantēts, ka ziņojums abonentam tiks piegādāts tieši vienu reizi. Šis ir augstākais QoS līmenis un nodrošina visuzticamāko ziņojumu piegādi. Tas ietver četru virzienu rokasspiedienu starp publicētāju, brokeri un abonentu, lai nodrošinātu, ka ziņojums netiek dublēts.

QoS līmeņa izvēle ir atkarīga no lietojumprogrammas prasībām. Lietojumprogrammām, kur ziņojumu zudums ir pieņemams, var pietikt ar QoS 0. Lietojumprogrammām, kur ziņojumu piegāde ir kritiska, ieteicams izmantot QoS 2.

MQTT izmantošanas priekšrocības

MQTT piedāvā vairākas priekšrocības IoT lietojumprogrammām:

• Zems joslas platuma patēriņš: MQTT vieglais raksturs padara to ideāli piemērotu ierobežotām tīkla vidēm, piemēram, mobilo sakaru vai satelītu savienojumiem. Tas ir būtiski IoT ierīcēm, kas darbojas attālās vietās ar ierobežotu joslas platumu.
• Mērogojamība: Publicēšanas-abonēšanas modelis nodrošina ļoti mērogojamas sistēmas, jo jaunus klientus var viegli pievienot vai noņemt, neietekmējot kopējo sistēmu. Tas ir būtiski IoT izvietošanai, kas ietver lielu skaitu ierīču.
• Uzticamība: MQTT QoS līmeņi nodrošina ziņojumu piegādes uzticamību pat neuzticamos tīkla apstākļos. Tas ir kritiski lietojumprogrammām, kur datu zudums ir nepieņemams.
• Elastība: MQTT var izmantot ar dažādām programmēšanas valodām un platformām, kas atvieglo integrāciju esošajās sistēmās.
• Drošība: MQTT atbalsta šifrēšanu un autentifikāciju, lai aizsargātu sensitīvus datus. Tas ir būtiski IoT lietojumprogrammām, kas apstrādā personisku vai konfidenciālu informāciju.
• Zems enerģijas patēriņš: Pateicoties mazajiem ziņojumiem un efektīvai tīkla izmantošanai, MQTT var ievērojami pagarināt ar akumulatoru darbināmu IoT ierīču darbības laiku.

MQTT lietošanas gadījumi un pielietojumi

MQTT tiek izmantots plašā IoT lietojumprogrammu klāstā dažādās nozarēs:

Viedās mājas automatizācija:

MQTT nodrošina komunikāciju starp viedās mājas ierīcēm, piemēram, apgaismojumu, termostatiem un drošības sistēmām. Piemēram, viedais termostats var publicēt temperatūras rādījumus MQTT brokerim, un mobilā lietotne var abonēt šos rādījumus, lai parādītu pašreizējo temperatūru un ļautu lietotājiem pielāgot termostata iestatījumus. Viedā apgaismojuma sistēma varētu izmantot MQTT, lai centrālais kontrolieris varētu ieslēgt vai izslēgt gaismas, pamatojoties uz sensoru datiem vai lietotāja komandām. MQTT zemās pieskaitāmās izmaksas ir būtiskas ar akumulatoru darbināmiem sensoriem.

Industriālais IoT (IIoT):

MQTT veicina datu vākšanu un kontroli rūpnieciskās vidēs. Sensori uz ražošanas iekārtām var publicēt datus MQTT brokerim, ko pēc tam var izmantot reāllaika uzraudzībai, prognozējošai apkopei un procesu optimizācijai. Piemēram, rūpnīca Vācijā varētu izmantot MQTT, lai uzraudzītu savu robotizēto roku veiktspēju, vācot datus par motora temperatūru, vibrāciju un enerģijas patēriņu. Šos datus var izmantot, lai identificētu potenciālas problēmas, pirms tās izraisa iekārtu bojājumus. Līdzīgi, viedā lauksaimniecības sistēma var izmantot MQTT, lai pārraidītu sensoru datus par augsnes mitrumu, temperatūru un mēslojuma līmeni no lauksaimniecības laukiem Brazīlijā uz centrālo apstrādes staciju. Šo informāciju var analizēt, lai optimizētu apūdeņošanas un mēslošanas grafikus.

Automobiļu telemātika:

MQTT nodrošina komunikāciju starp transportlīdzekļiem un mākoņplatformām tādām lietojumprogrammām kā transportlīdzekļu izsekošana, attālinātā diagnostika un informācijas un izklaides sistēmas. Telemātikas ierīce automašīnā var publicēt GPS atrašanās vietu, ātrumu un dzinēja datus MQTT brokerim, ko pēc tam var izmantot, lai izsekotu transportlīdzekļa atrašanās vietu un uzraudzītu tā veiktspēju. Flotes pārvaldības sistēmas visā pasaulē izmanto MQTT, lai optimizētu maršrutus, uzlabotu vadītāju drošību un samazinātu degvielas patēriņu.

Enerģijas pārvaldība:

MQTT veicina datu vākšanu un kontroli enerģijas pārvaldības sistēmās. Viedie skaitītāji var publicēt enerģijas patēriņa datus MQTT brokerim, ko pēc tam var izmantot rēķinu izrakstīšanai, pieprasījuma reakcijai un tīkla optimizācijai. Piemēram, komunālo pakalpojumu uzņēmums Japānā varētu izmantot MQTT, lai uzraudzītu enerģijas patēriņu mājsaimniecībās un uzņēmumos, ļaujot tiem optimizēt enerģijas sadali un samazināt maksimālo pieprasījumu.

Veselības aprūpes monitorings:

MQTT nodrošina attālinātu pacientu uzraudzību un televeselības lietojumprogrammas. Valkājamie sensori var publicēt dzīvībai svarīgo pazīmju datus MQTT brokerim, ko pēc tam veselības aprūpes sniedzēji var izmantot, lai uzraudzītu pacientu veselību un sniegtu savlaicīgu iejaukšanos. Attālinātās pacientu uzraudzības sistēmas valstīs ar lielu lauku iedzīvotāju skaitu, piemēram, Indijā vai Ķīnā, paļaujas uz MQTT, lai pārraidītu dzīvībai svarīgo pazīmju datus no pacientu mājām uz centrālajām uzraudzības stacijām, ļaujot ārstiem sniegt attālinātas konsultācijas un pārvaldīt hroniskas slimības.

MQTT ieviešana: Labākās prakses

Ieviešot MQTT, apsveriet šādas labākās prakses:

• Izvēlieties pareizo brokeri: Izvēlieties MQTT brokeri, kas atbilst jūsu lietojumprogrammas prasībām attiecībā uz mērogojamību, uzticamību un drošību. Apsveriet tādus faktorus kā ziņojumu caurlaidspēja, vienlaicīgo savienojumu skaits un atbalsts drošības funkcijām, piemēram, TLS/SSL šifrēšanai un autentifikācijai.
• Izstrādājiet labi definētu tēmu hierarhiju: Izmantojiet skaidru un konsekventu tēmu hierarhiju, lai organizētu ziņojumus un nodrošinātu efektīvu maršrutēšanu. Izvairieties no pārāk sarežģītām vai neskaidrām tēmu struktūrām. Piemēram, izmantojiet struktūru, piemēram, "uznemums/vieta/ierices_tips/ierices_id/sensora_nosaukums", lai skaidri identificētu datu izcelsmi un veidu.
• Izvēlieties atbilstošo QoS līmeni: Izvēlieties atbilstošo QoS līmeni, pamatojoties uz jūsu lietojumprogrammas prasībām attiecībā uz ziņojumu piegādes uzticamību. Apsveriet kompromisus starp uzticamību un veiktspēju. Izmantojiet QoS 0 nekritiskiem datiem, QoS 1 datiem, kas jāpiegādā vismaz vienu reizi, un QoS 2 datiem, kam nepieciešama garantēta piegāde.
• Ieviesiet drošības pasākumus: Nodrošiniet savu MQTT izvietojumu, izmantojot TLS/SSL šifrēšanu komunikācijai un autentifikācijas mehānismus, lai pārbaudītu klientu identitāti. Izmantojiet stipras paroles un regulāri atjauniniet drošības sertifikātus.
• Optimizējiet ziņojumu datu apjomu: Samaziniet ziņojumu datu apjomu, lai samazinātu joslas platuma patēriņu un uzlabotu veiktspēju. Izmantojiet efektīvus datu serializācijas formātus, piemēram, Protocol Buffers vai JSON ar saspiešanu.
• Pārvaldiet atvienošanos saudzīgi: Ieviesiet mehānismus, lai saudzīgi pārvaldītu klientu atvienošanos, piemēram, izmantojot pastāvīgās sesijas un pēdējās gribas un testamenta ziņojumus. Tas nodrošina, ka dati netiek zaudēti un abonenti tiek informēti par negaidītām atvienošanās reizēm.
• Monitorējiet un analizējiet veiktspēju: Monitorējiet sava MQTT izvietojuma veiktspēju, lai identificētu potenciālos vājos punktus un optimizētu resursu izmantošanu. Izmantojiet monitoringa rīkus, lai izsekotu tādus rādītājus kā ziņojumu caurlaidspēja, latentums un savienojumu statistika.

MQTT drošības apsvērumi

Drošība ir vissvarīgākā IoT izvietojumos. Šeit ir būtiski drošības apsvērumi MQTT:

• TLS/SSL šifrēšana: Šifrējiet komunikāciju starp klientiem un brokeri, izmantojot TLS/SSL, lai aizsargātu datus no noklausīšanās. Tas nodrošina, ka sensitīvi dati netiek pārraidīti vienkāršā tekstā.
• Autentifikācija: Ieviesiet autentifikācijas mehānismus, lai pārbaudītu klientu identitāti. Izmantojiet lietotājvārda/paroles autentifikāciju, klientu sertifikātus vai citas autentifikācijas metodes, lai novērstu nesankcionētu piekļuvi.
• Autorizācija: Ieviesiet autorizācijas politikas, lai kontrolētu, kuri klienti var publicēt un abonēt konkrētas tēmas. Tas novērš nesankcionētu klientu piekļuvi datiem vai to modificēšanu.
• Ievades validācija: Validējiet no klientiem saņemtos datus, lai novērstu injekcijas uzbrukumus. Pirms apstrādes pārliecinieties, ka dati atbilst gaidītajiem formātiem un diapazoniem.
• Regulāri drošības auditi: Veiciet regulārus drošības auditus, lai identificētu un novērstu ievainojamības. Uzturiet programmatūru un aparātprogrammatūru atjauninātu ar jaunākajiem drošības ielāpiem.
• Droša brokera konfigurācija: Pārliecinieties, ka MQTT brokeris ir droši konfigurēts, atspējojot nevajadzīgās funkcijas un izmantojot stipras paroles. Pārskatiet brokera dokumentāciju par drošības labākajām praksēm.

MQTT salīdzinājumā ar citiem IoT protokoliem

Lai gan MQTT ir dominējošs protokols IoT ziņojumapmaiņai, pastāv arī citi protokoli, katram ar savām stiprajām un vājajām pusēm. MQTT salīdzinājums ar dažām alternatīvām palīdz saprast tā pozīciju:

• HTTP (Hypertext Transfer Protocol): HTTP ir plaši izmantots protokols tīmekļa komunikācijai, bet tas ir mazāk efektīvs IoT, jo tam ir lielākas pieskaitāmās izmaksas. MQTT parasti dod priekšroku tā zemāka joslas platuma patēriņa un reāllaika spēju dēļ. HTTP ir balstīts uz pieprasījuma/atbildes modeli, savukārt MQTT ir notikumu vadīts.
• CoAP (Constrained Application Protocol): CoAP ir viegls protokols, kas paredzēts ierobežotām ierīcēm, līdzīgi kā MQTT. Tomēr MQTT ir plašāk pieņemts un tam ir lielāka ekosistēma. CoAP izmanto UDP, padarot to piemērotu ļoti mazjaudīgām ierīcēm, bet tam nepieciešama arī papildu funkcionalitāte, lai sasniegtu uzticamību.
• AMQP (Advanced Message Queuing Protocol): AMQP ir robustāks ziņojumapmaiņas protokols nekā MQTT, piedāvājot progresīvas funkcijas, piemēram, ziņojumu maršrutēšanu un transakciju pārvaldību. Tomēr AMQP ir sarežģītāks un prasa vairāk resursu nekā MQTT. AMQP ir izplatīts finanšu nozarē.
• WebSockets: WebSockets nodrošina pilndupleksa komunikāciju pār vienu TCP savienojumu, padarot tos piemērotus reāllaika lietojumprogrammām. Tomēr WebSockets ir lielākas pieskaitāmās izmaksas nekā MQTT un nav tik labi piemēroti ierīcēm ar ierobežotiem resursiem. WebSockets parasti tiek izmantoti tīmekļa pārlūkprogrammu lietojumprogrammām, kas sazinās ar aizmugursistēmām.

Protokola izvēle ir atkarīga no konkrētās lietojumprogrammas prasībām. MQTT ir laba izvēle lietojumprogrammām, kurām nepieciešama viegla, uzticama un mērogojama ziņojumapmaiņa, savukārt citi protokoli var būt piemērotāki lietojumprogrammām ar atšķirīgām prasībām.

MQTT nākotne IoT jomā

Paredzams, ka MQTT turpinās spēlēt būtisku lomu IoT nākotnē. Tā kā savienoto ierīču skaits turpina pieaugt, nepieciešamība pēc efektīviem un uzticamiem komunikācijas protokoliem kļūs vēl svarīgāka. MQTT vieglais raksturs, mērogojamība un uzticamība padara to labi piemērotu nākotnes IoT izvietošanas prasībām.

Paredzams, ka vairākas tendences veidos MQTT nākotni:

• Perifērijas skaitļošana: MQTT tiks arvien vairāk izmantots perifērijas skaitļošanas scenārijos, kur dati tiek apstrādāti tuvāk avotam. Tas samazinās latentumu un joslas platuma patēriņu.
• 5G savienojamība: 5G parādīšanās nodrošinās ātrāku un uzticamāku komunikāciju IoT ierīcēm, vēl vairāk uzlabojot MQTT iespējas.
• Standartizācija: Notiekošie centieni standartizēt MQTT uzlabos sadarbspēju un veicinās plašāku pieņemšanu.
• Uzlabota drošība: Turpmāka drošības funkciju attīstība nodrošinās, ka MQTT paliek drošs protokols IoT komunikācijai.
• Integrācija ar mākoņplatformām: Ciešāka integrācija ar mākoņplatformām atvieglos datu pārvaldību un analīzi, kas savākti no IoT ierīcēm, izmantojot MQTT.

Noslēgums

MQTT ir kļuvis par neaizstājamu protokolu IoT, nodrošinot vieglu, uzticamu un mērogojamu risinājumu ierīču savienošanai un nevainojamai datu apmaiņai. Tā publicēšanas-abonēšanas arhitektūra, QoS līmeņi un drošības funkcijas padara to labi piemērotu plašam lietojumprogrammu klāstam, sākot no viedās mājas automatizācijas līdz rūpnieciskās vadības sistēmām. Izprotot MQTT principus un ievērojot labākās ieviešanas prakses, izstrādātāji un organizācijas var izmantot tā jaudu, lai veidotu inovatīvus IoT risinājumus, kas veicina efektivitāti, uzlabo lēmumu pieņemšanu un pārveido nozares visā pasaulē.

Tā kā IoT ainava turpina attīstīties, MQTT paliks savienoto ierīču komunikācijas stūrakmens, pielāgojoties jauniem izaicinājumiem un nodrošinot nākamās paaudzes IoT lietojumprogrammas. MQTT izpratne un apgūšana ir būtiska ikvienam, kas iesaistīts IoT risinājumu projektēšanā, izstrādē vai izvietošanā.