Что такое MQTT и зачем он нужен в IIoT? Описание протокола MQTT

Что такое MQTT и зачем он нужен в IIoT? Описание протокола MQTT

Оглавление:

• Что такое MQTT?
• Особенности протокола MQTT, описание MQTT
• Семантика топиков
• Структура сообщений
• Качество обслуживания в протоколе MQTT (QoS)
• Защита передачи данных
• Оборудование для IIoT с поддержкой MQTT

  С развитием промышленности увеличивается количество устройств, которые нужно контролировать и получать от них различные данные. Для решения проблем взаимодействия большого количества устройств и проблем объединения устройств в одну сеть была создана концепция Интернета вещей (англ. Internet of Things, IoT) – это когда устройства объединяются по какому-то признаку в одну сеть, потом уже несколько подобных сетей объединяются в другую большую сеть и так далее.

  Устройства в таких сетях взаимодействуют друг с другом по средствам различных интерфейсов и протоколов передачи данных. Так как мы говорим о промышленном применении концепции IoT, в которой должны использоваться промышленное оборудование со своими протоколами и аппаратными средствами, то мы переходим к концепции IIoT (Промышленного Интернета вещей).

  Промышленный интернет вещей (IIoT) – новый шаг в развитии промышленной автоматизации.

  Для взаимодействия между собой устройства используют различные промышленные протоколы, одним из популярных протоколов для этой цели является MQTT.

  Что такое MQTT?
  

MQTT или Message Queue Telemetry Transport – это легкий, компактный и открытый протокол обмена данными созданный для передачи данных на удалённых локациях, где требуется небольшой размер кода и есть ограничения по пропускной способности канала. Вышеперечисленные достоинства позволяют применять его в системах M2M (Машинно-Машинное взаимодействие) и IIoT (Промышленный Интернет вещей).

Также существует версия протокола MQTT-SN (MQTT for Sensor Networks), ранее известная как MQTT-S, которая предназначена для встраиваемых беспроводных устройств без поддержки TCP/IP сетей, например, Zigbee.

Особенности протокола MQTT

Основные особенности протокола MQTT:

• Асинхронный протокол
• Компактные сообщения
• Работа в условиях нестабильной связи на линии передачи данных
• Поддержка нескольких уровней качества обслуживания (QoS)
• Легкая интеграция новых устройств

Протокол MQTT работает на прикладном уровне поверх TCP/IP и использует по умолчанию 1883 порт (8883 при подключении через SSL).

• Обмен сообщениями в протоколе MQTT осуществляется между клиентом (client), который может быть издателем или подписчиком (publisher/subscriber) сообщений, и брокером (broker) сообщений (например, Mosquitto MQTT).

  Издатель отправляет данные на MQTT брокер, указывая в сообщении определенную тему, топик (topic). Подписчики могут получать разные данные от множества издателей в зависимости от подписки на соответствующие топики.

  Устройства MQTT используют определенные типы сообщений для взаимодействия с брокером, ниже представлены основные:

• Connect – установить соединение с брокером
• Disconnect – разорвать соединение с брокером
• Publish – опубликовать данные в топик на брокере
• Subscribe – подписаться на топик на брокере
• Unsubscribe – отписаться от топика

Схема простого взаимодействия между подписчиком, издателем и брокером

Семантика топиков

Топики представляют собой символы с кодировкой UTF-8. Иерархическая структура топиков имеет формат «дерева», что упрощает их организацию и доступ к данным. Топики состоят из одного или нескольких уровней, которые разделены между собой символом «/».

Пример топика в который датчик температуры, расположенный в спальной комнате публикует данные брокеру:

/home/living-space/living-room1/temperature

Подписчик может так же получать данные сразу с нескольких топиков, для этого существуют wildcard. Они бывают двух типов: одноуровневые и многоуровневые. Для более простого понимания рассмотрим в примерах каждый из них:

• Одноуровневый wildcard. Для его использования применяется символ «+»

  К примеру, нам необходимо получить данные о температуры во всех спальных комнатах:

  /home/living-space/+/temperature

  В результате получаем данные с топиков:

  /home/living-space/living-room1/temperature

  /home/living-space/living-room2/temperature

  /home/living-space/living-room3/temperature

• Многоуровневый wildcard. Для его использования применяется символ «#»

  К примеру, чтобы получить данные с различных датчиков всех спален в доме:

  /home/living-space/#

  В результате получаем данные с топиков:

  /home/living-space/living-room1/temperature

  /home/living-space/living-room1/light1

  /home/living-space/living-room1/light2

  /home/living-space/living-room1/humidity

  /home/living-space/living-room2/temperature

  /home/living-space/living-room2/light1

…

Структура сообщений

MQTT сообщение состоит из нескольких частей:

• Фиксированный заголовок (присутствует по всех сообщениях)
• Переменный заголовок (присутствует только в определенных сообщениях)
• Данные, «нагрузка» (присутствует только в определенных сообщениях)

Фиксированный заголовок

Message Type – это тип сообщения, например: CONNECT, SUBSCRIBE, PUBLISH и другие.

Flags specific to each MQTT packet – эти 4 бита отведены под вспомогательные флаги, наличие и состояние которых зависит от типа сообщения.

Remaining Length – представляет длину текущего сообщения(переменный заголовок + данные), может занимать от 1 до 4 байта.

Всего в протоколе MQTT существует 15 типов сообщений:

Тип сообщения	Значение	Направление передачи	Описание
Reserved	0000 (0)	нет	Зарезервирован
CONNECT	0001 (1)	К* -> С**	Запрос клиента на подключение к серверу
CONNACK	0010 (2)	К <- С	Подтверждение успешного подключения
PUBLISH	0011 (3)	К <- С, К -> С	Публикация сообщения
PUBACK	0100 (4)	К <- С, К -> С	Подтверждение публикации
PUBREC	0101 (5)	К <- С, К -> С	Публикация получена
PUBREL	0110 (6)	К <- С, К -> С	Разрешение на удаление сообщения
PUBCOMP	0111 (7)	К <- С, К -> С	Публикация завершена
SUBSCRIBE	1000 (8)	К -> С	Запрос на подписку
SUBACK	1001 (9)	К <- С	Запрос на подписку принят
UNSUBSCRIBE	1010 (10)	К -> С	Запрос на отписку
UNSUBACK	1011 (11)	К <- С	Запрос на отписку принят
PINGREQ	1100 (12)	К -> С	PING запрос
PINGRESP	1101 (13)	К <- С	PING ответ
DISCONNECT	1110 (14)	К -> С	Сообщение об отключении от сервера
Reserved	1111 (15)		Зарезервирован

Флаги

Четыре старших бита первого байта фиксированного заголовка отведены под специальные флаги:

DUP – флаг дубликата устанавливается, когда клиент или MQTT брокер совершает повторную отправку пакета (используется в типах PUBLISH, SUBSCRIBE, UNSUBSCRIBE, PUBREL). При установленном флаге переменный заголовок должен содержать Message ID (идентификатор сообщения)

QoS – качество обслуживания (0,1,2)

RETAIN – при публикации данных с установленным флагом retain, брокер сохранит его. При следующей подписке на этот топик брокер незамедлительно отправит сообщение с этим флагом. Используется только в сообщениях с типом PUBLISH.

Переменный заголовок

Переменный заголовок содержится в некоторых заголовках.

В нём помещаются следующие данные:

• Packet identifier – идентификатор пакета, присутствует во всех типах сообщений, кроме: CONNECT, CONNACK, PUBLISH(с QoS <1), PINGREQ, PINGRESP, DISCONNECT
• Protocol name – название протокола (только в сообщениях типа CONNECT)
• Protocol version – версия протокола (только в сообщениях типа CONNECT)
• Connect flags – флаги указывающие на поведение клиента при подключении

User name – при наличии этого флага в «нагрузке» должно быть указано имя пользователя (используется для аутентификации клиента)

Password – при наличии этого флага в «нагрузке» должен быть указан пароль (используется для аутентификации клиента)

Will Retain – при установке в 1, брокер хранит у себя Will Message.

Will QoS– качество обслуживания для Will Message, при установленном флаге Will Flag, Will QoS и Will retain являются обязательными.

Will Flag - при установленном флаге, после того, как клиент отключится от брокера без отправки команды DISCONNECT(в случаях непредсказуемого обрыва связи и т.д.), брокер оповестит об этом всех подключенных к нему клиентов через так называемый Will Message.

Clean Session – очистить сессию. При установленном «0» брокер сохранит сессию, все подписки клиента, а так же передаст ему все сообщения с QoS1 и QoS2, которые были получены брокером во время отключения клиента, при его следующем подключении. Соответственно при установленной «1», при повторном подключении клиенту будет необходимо заново подписываться на топики.

• Session Present – применяется в сообщении с типом CONNACK. Если брокер принимает подключение с Clean Session = 1 он должен установить «0» в бит Session Present(SP). Если брокер принимает подключение с Clean Session = 0, то значение бита SP зависит от того, сохранял ли брокер ранее сессию с этим клиентом (если так, то в SP выставляется 1 и наоборот). То есть этот параметр позволяет клиенту определить была ли сохранена брокером предыдущая сессия.

• Connect Return code – если брокер по каким то причинам не может принять правильно сформированный CONNECT пакет от клиента, то во втором байте CONNACK пакета он должен установить соответствующее значение из нижеуказанного списка:

• Значение	Возвращенное значение	Описание
  0	0x00 Connection Accepted	Подключение принято
  1	0x01 Connection Refused, unacceptable protocol version	Брокер не поддерживает версию протокола, используемую клиентом
  2	0x02 Connection Refused, identifier rejected	Client ID подключаемого клиента нет в списке разрешенных
  3	0x03 Connection Refused, Server unavailable	Соединение установлено, но MQTT сервис не доступен
  4	0x04 Connection Refused, bad user name or password	Не правильный логин или пароль
  5	0x05 Connection Refused, not authorized	Доступ к подключению запрещен
  6-255		зарезервировано

• Topic Name – название топика

Данные, нагрузка

Содержание и формат данных, передаваемых в MQTT сообщениях, определяются в приложении. Размер данных может быть вычислен путём вычитания из Remaining Length длины переменного заголовка.

Качество обслуживания в протоколе MQTT (QoS)

MQTT поддерживает три уровня качества обслуживания (QoS) при передаче сообщений.

QoS 0 At most once. На этом уровне издатель один раз отправляет сообщение брокеру и не ждет подтверждения от него, то есть отправил и забыл.

Защита передачи данных

Для обеспечения безопасности в MQTT протоколе реализованы следующие методы защиты:

• Аутентификация клиентов. Пакет CONNECT может содержать в себе поля USERNAME и PASSWORD. При реализации брокера можно использовать эти поля для аутентификации клиента
• Контроль доступа клиентов через Client ID
• Подключение к брокеру через TLS/SSL

Оборудование для IIoT с поддержкой MQTT

Для построения систем промышленного интернета вещей, а также интегрирования существующего оборудования в облачные системы используются специальные устройства.

• Web-программируемые IIoT контроллеры
• IIoT модули удаленного ввода/вывода
• Шлюзы IIoT
• IIoT платформы, сервера MQTT
• Измерители CO, CO2, температуры и влажности

Промышленный Интернет вещей (IIoT) — это новый шаг в развитии промышленной автоматизации. Узнайте больше о решениях, предлагаемых AaBaCuS в области IIoT.