MQTT

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MQTT - Message Queue Telemetry Transport

MQTT (Message Queue Telemetry Transport) é um protocolo de mensagens para sensores e pequenos dispositivos móveis, baseado no modelo publicador/subscritor, ideal para aplicações de Internet das Coisas, em particular para a comunicação máquina a máquina (M2M - Machine to Machine).

Referências:

As aplicações de Internet das Coisas podem envolver abordagens avançadas de telemetria, de forma a poder conectar diferentes dispositivos inteligentes em atividades de sensoreamento, monitoramento e controle, além da conexão dos mesmos a Internet ou a sistemas de controle central [1].

MQTT - Conceitos básicos

Conceitos básicos do MQTT [1]

Modelo Publicador/Subscritor

O protocolo MQTT é baseado no modelo publisher/subscriber, isto é, o princípio de publicar mensagens (publisher) e subscrever tópicos (subscriber) para receber mensagens.

  • Um cliente pode subscrever tópicos e receber mensagens de atualizações quando algo for publicado sobre este tópico. Alternativamente, um cliente pode publicar mensagens relativas a um dado tópico e deixá-la disponível para os assinantes.

O modelo publisher/subscriber oferece uma alternativa ao modelo cliente/servidor. No modelo cliente/servidor o cliente se comunica diretamente o servidor num serviço fim a fim. No modelo publisher/subscriber o publicador e o subscritor não se comunicam diretamente. A comunicação é realizada por um terceiro componente, o brocker [2].

Tópicos e subscrições

As mensagens MQTT são publicadas em tópicos (topic), que são áreas de interesse.

  • Os clientes, por sua vez, assinam para receber mensagens de uma dada subscrição. As subscrições podem ser explicitas, ou organizadas hierarquicamente, com o cliente usando wildcards (# ou +) para receber mensagens de uma variedade de tópicos.
    Exemplos:
    • topic: /casa/terreo/temperatura
    • topic: /casa/terreo/umidade
    • topic: /casa/superior/temperatura
    • topic: /casa/superior/umidade
    • wildcard multilevel: /casa/# -> todos os sensores da casa (# multinível)
    • wildcard sigle level: /casa/+/temperatura -> todos os sensores de temperatura (+ somente um nível)

Qualidade de Serviço

O MQTT define três níveis de Qualidade de Serviço (QoS):

    • (0) best effort, envia a mensagem uma vez;
    • (1) envia a mensagem uma ou mais vezes, podendo haver mensagens duplicadas;
    • (2) assegura o recebimento de apenas uma mensagem.

Reter mensagens

O servidor MQTT pode reter mensagens publicadas no brocker, mesmo depois de enviada a todos os subscritores, e tê-las disponível para um novo subscritor deste tópico.

Sessões persistentes

Permitem a um cliente subscritor manter suas subscrições mesmo após uma desconexão. Neste caso, a sessão é tratada como persistente e as subscrições do cliente continuaram ativas após a próxima conexão.

Will e Testamento

Característica também chamada LWT (Last Will and Testament) do MQTT. Quando um cliente (publicador ou subscritor) se conecta a um servidor e pode informar que possui uma will, isto é, mensagens importantes que deveriam ser publicadas em caso de desconexão involuntária.

MQTT - sensores e atuadores

O MQTT tem aplicabilidade especial para dispositivos para sensoriamento remoto [1].

Sensores
Sensores medem ou monitoram parâmetros do ambiente ou de um sistema e reportam a informação para humanos ou outros dispositivos ou sistemas. Com a ajuda do protocolo MQTT a informação obtida pelos sensores pode ser realizada via rede.
Múltiplos sensores podem ser posicionados para reportar vários parâmetros e medições em diferentes localizações, dando uma visão completa das condições de operação de um dispositivo ou sistema.
Atuadores
Atuadores são dispositivos que atuam sobre variáveis de um sistema visando alterar seu comportamento.

O controle de um sistema normalmente envolve sensores monitorando parâmetros do sistema e atuadores visando corrigir sua operação. A ação de controle é realizada a partir de um algoritmo de controle, que pode ser executado por controlador central, ou diretamente pelos sensores/atuadores, que, neste caso, devem ter processamento no próprio sensor/atuador.

O modelo publisher/subscriber do MQTT pode ser bastante útil para interligar sensores, atuadores e sistemas de controle em diferentes tipos de aplicações, em particular àquelas que envolvem as chamadas tecnologias de Internet das Coisas.

Mensagens do protocolo MQTT [2]

O protocolo MQTT trabalha no topo da pilha de protocolos TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), que são os principais protocolos da Internet.

O modelo publisher/subscriber do MQTT desacopla a mensagem enviada pelo cliente publicador (publisher) do cliente subscritor (subscriber).

O MQTT usa tópicos para determinar quais mensagens vão ser encaminhadas a cada subscriber.

Cliente MQTT
Tanto o publisher quanto o subscriber são clientes MQTT.
Um cliente MQTT é qualquer dispositivo que rode a biblioteca MQTT, desde um microcontrolador até um servidor de grande porte.
brocker MQTT
O brocker MQTT intermedeia a comunicação entre os clientes publicadores e subscritores.
O brocker é o responsável de receber todas as mensagens, determinar quais são os subscritores de cada mensagem, e, em seguida, encaminhar as estas mensagens aos subscritores.
Blibliotecas MQTT
Bibliotecas cliente MQTT estão disponíveis em diferentes linguagens de programação, como Android, Arduino, C, C++, Ct#, Go, iOS, Java, JavaScript, and .NET. Veja lista completa em MQTT wiki.

Mensagens de Conexão

Uma conexão MQTT é sempre entre um cliente e um brocker. O cliente inicia a conexão enviando uma mensagem CONNECT ao brocker, que responde com a mensagem CONNACK. A conexão é mantida até que o cliente envie uma mensagem DISCONNECT. 

Cliente              Brocker
   |    ---------->     |
   |      CONNECT       |
   |    <----------     |
   |      CONNACK       |
Detalhe das mensagens
CONNECT
clientId        "cliente1"  
cleanSession    true
keepAlive       60
username        "user1"           (opcional)
passwd          "1234"            (opcional)
lastWillTopic   "topic1/will"     (opcional)
lastWillQoS     2                 (opcional)
lastWillMessage "unexpected exit" (opcional)
lastWillRetain  false             (opcional)
keepAlive       60

O clientId é um identificador único do cliente para o brocker com o qual vai se comunicar.

A flag cleanSession informa se a sessão é persistente ou não.

O username e passwd são enviados em modo texto, portanto, é aconselhável utilizá-las juntamente com transporte seguro através de autenticação de clientes com SSL.

Parâmetros lastWill (ver abaixo).

Parâmetro keepAlive (ver abaixo). 

CONNACT
sessionPresent  false
returnCode      0

O parâmetro sessionPresent informa ao cliente se o brocker já tem uma conexão persistente anterior com este cliente.

O parâmetro returnCode é o retorno com o estado da conexão, que pode ser:

  • 0 Conexão aceita
  • 1 Conexão recusada: versão inválida
  • 2 Conexão recusada: userId rejeitada
  • 3 Conexão recusada: servidor não disponível
  • 4 Conexão recusada: username ou passwd inválida
  • 5 Conexão recusada: não autorizado

Keep Alive

O protocolo MQTT é baseado no TCP, o qual transfere mensagens de forma confiável, ordenada e livre de erros. Entretanto, eventualmente, podem ocorrer falhas em uma conexão TCP, na qual uma das partes perde a conexão e a outra continua ativa, ficando no estado chamado half-open connection. O keep alive do MQTT visa contornar este problema.

Para manter a conexão ativa entre um cliente e o brocker, caso não haja publicação, o cliente deve enviar regularmente a mensagem PING Request ao brocker, que responde com PING Response. O parâmetro keepAlive informa o tempo em segundos que o cliente pode ficar sem se comunicar com o brocker depois de iniciada a conexão. 

PINGREQ

PINGRESP

Se o brocker não recebe um PINGREQ ou algum outro pacote do cliente, o brocker fecha a conexão e envia a mensagem lastWill e testamento aos subscritores (caso este cliente tenha especificado uma LWT).

lastWill e Testamento

Característica também chamada LWT (Last Will and Testament) do MQTT. É utilizado pelo brocker para notificar clientes subscritores sobre uma desconexão involuntária de um cliente.

Quando um cliente (publicador ou subscritor) se conecta a um servidor e pode informar que possui mensagens lastWill, isto é, mensagens importantes que deveriam ser publicadas, mesmo em caso de desconexão involuntária.

Para fazer a atribuição prévia das mensagens lastWill, chamadas testamento, utiliza-se os parâmetros lastWill na mensagem CONNECT.

Exemplo de aplicação [2]
Informar ao sistema quando um cliente está fora de operação, por exemplo, um sensor que monitora um tópico crítico do sistema.
Passos:
  1. O cliente se conecta ao brocker e informa uma lastWill, por exemplo: tópico = sensor/status, mensagem = off_line e seta flag reter mensagem;
  2. O cliente se conecta e publica para o mesmo tópico nova mensagem = on_line e seta flag reter mensagem;
  3. Enquanto o cliente estiver conectado, novos subscritores receberão a mensagem = on_line para o tópico = sensor/status;
  4. Caso o cliente se desconecte involuntariamente (sem a mensagem DISCONNECT) a mensagem lastWill será publicada e todos os subscritores receberão a mensagem = off_line para o tópico = sensor/status.

Mensagem para Publicação

O cliente publica mensagens assim que estabelece a conexão com o brocker. Cada mensagem contem um tópico, que é utilizado para encaminhar a mensagem aos clientes subscritores.

A mensagem de publicação é utilizada também pelo brocker para encaminhar as mensagens publicadas aos subscritores.

Mensagem de publicação: 

PUBLISH
packetId    0
topicName   "sensor/temperatura"
qos         0
retainFlag  false
payload     "25,0"
dupFlag     false
O parâmetro packetId é um identificador único para a mensagem e é utilizado para retransmitir mensagens com QoS diferente de 0. A biblioteca do cliente e/ou brocker é responsável por gerenciar os identificadores.
O dupFlag indica que a mensagem é uma duplicata sendo retransmitida para um cliente que não enviou um reconhecimento da anterior. É utilizado para retransmitir mensagens com QoS diferente de 0.
O parâmetro retainFlag define quando o brocker deve reter a mensagem como último valor adequado para este tópico.

Reter mensagem

A característica de reter mensagem permite ao brocker dispor do último valor adequado para este tópico (last known good value). Desta forma, caso haja novos subscritores para tópicos com mensagens retidas, eles receberão imediatamente as mensagens disponíveis. As mensagens retidas eliminam a espera por atualizações do cliente para o tópico assinado.

Publicação com Qualidade de Serviço (QoS)

O protocolo MQTT define três níveis de Qualidade de Serviço (QoS):

  • (0) best effort, envia a mensagem uma vez;
  • (1) envia a mensagem pelo menos uma vez, mas podem haver mensagens duplicadas, e aguarda confirmação de recebimento;
  • (2) assegura o recebimento uma única mensagem e da confirmação do recebimento.

No MQTT a QoS deve considerar os dois lados da entrega da mensagem:

  1. A comunicação entre o cliente publicador e o brocker;
  2. A comunicação entre o brocker e os clientes subscritores.

A QoS é considerada separadamente. O cliente publicador define a QoS quando publica no brocker. O brocker, por sua vez, encaminha a mensagem ao cliente subscritor de acordo com a QoS definida no momento da subscrição. Caso a subscrição tenha QoS maior que o que foi publicado, utiliza-se a menor QoS.

QoS = 0
Serviço best-effort, sem garantia de entrega da mensagem.
Emissor                  Receptor   Ação
   |    -------------->     |       -Publica a mensagem aos subscritores
   |     PUBLISH QoS=0      |
QoS = 1
A mensagem é enviada pelo menos uma vez ao receptor. O emissor armazena a mensagem até receber um reconhecimento do receptor com a mensagem PUBACK. O PUBACK utiliza o packetId da mensagem publicada para reconhecer a mensagem. Caso o emissor não receba reconhecimento num tempo apropriado a mensagem é reenviada com dupFlag = true. Se o receptor recebe uma mensagem duplicada ele responde com PUBACK e reencaminha a mensagem aos subscritores. Note que os subscritores também podem receber mensagens duplicadas.
Cenário 1: Uma mensagem enviada:
Emissor                  Receptor   Ação
   |    -------------->     |       -Armazena a mensagem na base de dados
   |     PUBLISH QoS=1      |       -Publica a mensagem aos subscritores
   |    <--------------     |
   |        PUBACK          |
Cenário 2: Mais de uma mensagem enviada:
Emissor                  Receptor   Ação
   |    -------------->     |       -Armazena a mensagem na base de dados
   |     PUBLISH QoS=1      |       -Publica a mensagem aos subscritores
   |          X--------     |
   |        PUBACK          |
   |    -------------->     |       -Atualiza base de dados
   |     PUBLISH QoS=1      |       -Publica a mensagem aos subscritores
   |    <--------------     |
   |        PUBACK          |


QoS = 2
É a maior QoS do MQTT. Garante a entrega de apenas uma mensagem aos subscritores . O protocolo utiliza um acordo em quatro vias entre o emissor e o receptor.
O QoS=2 deve ser utilizado somente se não forem desejadas mensagens duplicadas.
Emissor                  Receptor   Ação
   |    -------------->     |       -Armazena e bloqueia a mensagem na base de dados
   |     PUBLISH QoS=2      |       (se houver mensagens duplicadas atualiza base de dados)
   |    <--------------     |       
   |        PUBREC          |
   |    -------------->     |       -Publica a mensagem aos subscritores
   |        PUBREL          |       
   |    <--------------     |
   |        PUBCOMP         |
A mensagem é enviada pelo emissor com PUBLISH. Caso o receptor receba a mensagem ele reconhece com PUBREC e deixa a mensagem bloqueada no servidor. Se o emissor não recebe o PUBREC num tempo apropriado ele envia novamente a mensagem com dupFlag = true. Caso o emissor receba o PUBREC ele tem a garantia que o receptor recebeu a mensagem e envia o PUBREL. Quando o receptor recebe o PUBREL ele responde com PUBCOMP e então encaminha a mensagem aos subscritores. As mensagens trocadas utilizam o packetId da mensagem publicada para reconhecimento.

Mensagens para e Subscrição

Para receber mensagens um cliente deve subscrever um dado tópico em um brocker MQTT. 

SUBSCRIBE
packetId      4343 (exemplo)
List of Subscritions:
 topic         "sensores_ambiente/#"
 qos           0
 topic         "sensor/alerta"
 qos           1
O packetId é um identificador único para a mensagem entre o cliente e o brocker. A biblioteca do cliente e/ou brocker é responsável por gerenciar os identificadores.
A List of Subscritions contém a lista de subscrições do cliente, cada qual contendo um tópico e a QoS. O tópico pode ser expresso de forma explícita ou de maneira hierárquica, separados por com /, e também pode utilizar wildcards (# ou +).

Cada subscrição é confirmada com SUBACK. 

SUBACK
packetId    4343 (exemplo)    
returnCode  0
returnCode  1
...
O packetId é o mesmo identificador da mensagem SUBSCRIBE correspondente.
O returnCode informa o código para cada par tópico/QoS como segue:
  • 0 Sucesso: máximo QoS 0
  • 1 Sucesso: máximo QoS 1
  • 2 Sucesso: máximo QoS 2
  • 128 Falha
Cliente A               Brocker            Cliente B
   |      ----------->     |                     |
   |        SUBSCRITE      |                     |
   |      <-----------     |                     |
   |         SUBACK        |                     |
   |                       |    <----------      |
   |      <-----------     |      PUBLISH        |
   |        PUBLISH        |                     |

Um cliente pode cancelar uma subscrição com UNSUBSCRIBE. 

UNSUBSCRIBE
packetId    4344 (exemplo)   
topic1      "/sensor/temp"
topic2      "/sensor/umid"
...
O packetId é um identificador único para a mensagem entre o cliente e o brocker. A biblioteca do cliente e/ou brocker é responsável por gerenciar os identificadores.

Reconhecimento 

UNSUBACK
packetId
O packetId é o mesmo identificador da mensagem UNSUBSCRIBE correspondente.

Sessões persistentes

Quando um cliente subscritor se conecta (CONNECT) a um servidor com a flag clean session = true após ele se desconectar todas as subscrições serão removidas.

Caso o cliente subscritor se conecte com flag clean session = false (opcional) a sessão é tratada como persistente e as subscrições do cliente vão continuar após a próxima conexão.

As sessões persistentes eliminam a necessidade do cliente de subscrever todos os tópicos a cada vez qua a cada reconexão.

Com as sessões persistentes um cliente que ficou fora de serviço por um dado período poderá receber todas as mensagens que ficaram armazenadas no servidor sobre os tópicos que ele subscreve.

O que é armazenado numa sessão persistente
  • mensagens de QoS 1 ou 2 não confirmadas pelo cliente;
  • mensagens de QoS 1 ou 2 que o cliente perdeu quando estava off-line.

MQTT e Mosquitto: Analise do protocolo com Wireshark

Nesta página Wiki estão descritos experimentos visando a análise do protocolo MQTT e brocker Mosquitto utilizando captura de mensagens com Wireshark.

MQTT e Arduino

Nesta página Wiki serão descritos experimentos utilizando um protótipo com Arduíno e a biblioteca MQTT para comunicação com um brocker Mosquitto.

MQTT-SN - MQTT for Sensor Networks

Referências: [3] [4] [5]

O protocolo MQTT-SN foi projetado especificamente para trabalhar com sensores se comunicando a partir de redes sem fio.

Estes sensores têm as seguintes caraterísticas principais:

  • Baterias de baixa potência e com capacidades limitadas de processamento e armazenamento
  • Limitações no tamanho das mensagens trocadas
  • Não estão sempre ativos

O MQTT-SN usa o modelo Publisher/Subscriber e foi projetado para trabalhar da mesma forma que o MQTT.

MQTT-SN x MQTT

As principais diferenças entre o MQTT-SN e MQTT são:

  • Tamanho reduzido das mensagens (max 128 bytes);
  • Uso do protocolo de transporte UDP (ao invés do TCP), ou, diretamente sobre outra rede sem fio, como Bluetooth e ZigBee.

Outras diferenças:

  • Mensagem CONNECT simplificada, com duas mensagens especiais para uso com lastWill, caso exista.
  • Nomes de tópicos pequenos (2 bytes) e pré definidos com registro no gateway.
  • Processo de descoberta para os clientes encontrarem o gateway.
  • Procedimento de keep alive para clientes que não permanecem sempre ativos.

Arquitetura

Conta com três componentes:

  1. MQTT-SN client
  2. MQTT-SN Gateway
  3. MQTT-SN forwarder

Não há o brocker como no MQTT.

Um MQTT-SN client se comunica com um brocker MQTT através de um MQTT-SN Gateway. O MQTT-SN Gateway pode ou não estar integrado a um brocker MQTT. Se não estiver integrado o gateway faz a tradução das mensagens do protocolo MQTT-SN para MQTT.

Um MQTT-SN client pode também se comunicar com um MQTT-SN Gateway através de um MQTT-SN forwarder caso o cliente não esteja conectado a mesma rede do gateway.

Referências

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 Valerie Lampkin; Weng Tat Leong; Leonardo Olivera; Sweta Rawat; Nagesh Subrahmanyam; Rong Xiang. Building Smarter Planet Solutions with MQTT and IBM WebSphere MQ Telemetry, ibm.com/redbooks, 2012.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 MQTT Essentials: The Ultimate Kickstart For MQTT Beginners, https://www.hivemq.com/mqtt-essentials/.
  3. ↑ Steve’s Internet Guide. Introduction to MQTT-SN (MQTT for Sensor Networks). http://www.steves-internet-guide.com/mqtt-sn/
  4. ↑ Fábio Souza. MQTT-SN: MQTT para rede de sensores, Embarcados, abril, 2018. https://www.embarcados.com.br/mqtt-sn-mqtt-para-rede-de-sensores/
  5. ↑ MQTT For Sensor Networks (MQTT-SN). Protocol Specification, Version 1.2, 2013. https://mqtt.org/new/wp-content/uploads/2009/06/MQTT-SN_spec_v1.2.pdf

Evandro.cantu (discussão) 16h24min de 13 de abril de 2020 (-03)

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