Описание протокола MQTT

Оригинал статьи

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).

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:

*К – клиент, **С – сервер

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.

QoS 1 At least once. Этот уровень гарантирует, что сообщение точно будет доставлено брокеру, но есть вероятность дублирования сообщений от издателя. После получения дубликата сообщения, брокер снова рассылает это сообщение подписчикам, а издателю снова отправляет подтверждение о получении сообщения. Если издатель не получил PUBACK сообщения от брокера, он повторно отправляет этот пакет, при этом в DUP устанавливается «1».

QoS 2 Exactly once. На этом уровне гарантируется доставка сообщений подписчику и исключается возможное дублирование отправленных сообщений.

Издатель отправляет сообщение брокеру. В этом сообщении указывается уникальный Packet ID, QoS=2 и DUP=0. Издатель хранит сообщение неподтвержденным пока не получит от брокера ответ PUBREC. Брокер отвечает сообщением PUBREC в котором содержится тот же Packet ID. После его получения издатель отправляет PUBREL с тем же Packet ID. До того, как брокер получит PUBREL он должен хранить копию сообщения у себя. После получения PUBREL он удаляет копию сообщения и отправляет издателю сообщение PUBCOMP о том, что транзакция завершена.

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

Оригинал статьи