Basiswissen MQTT: Was kann das IoT-Kommunikations-Protokoll?

Wesentliche Grundlage des IoT ist die Kommunikation, an die hohe Anforderungen gestellt werden. Produktionsanlagen in einer Industrie-4.0-Fabrik müssen unter Umständen in Echtzeit auf einen Befehl von einem zentralen Controller reagieren. In diesem Fall sind sehr niedrige Netzwerklatenzzeiten erforderlich. Batteriebetriebene, ferngesteuerte Sensoren, die beispielsweise den Bodenzustand in der Landwirtschaft überwachen, können sich dagegen über lange Zeiträume im Standby-Modus befinden und werden nur zum Senden kurzer Datenpakete aufgeweckt.

Diese Anwendungen nutzen ein breites Spektrum an Verbindungsmöglichkeiten, darunter Mobilfunknetze, drahtlose Technologien wie Wi-Fi oder Bluetooth, kabelgebundenes Ethernet und sogar Satellitenkommunikation. Kommunikationsprotokolle sind ein Schlüsselelement des IoT-Technologie-Stacks eines jeden Geräts und ermöglichen den strukturierten Datenaustausch zwischen IoT-Geräten oder „Dingen“ und den zugehörigen Anwendungen über das gewählte Transportmedium.

Es wurden verschiedene Protokolle entwickelt, um die Anforderungen verschiedener Klassen von IoT-Anwendungen zu erfüllen, darunter CoAP, XMPP und DDS. Unter ihnen gehören MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) und seine Erweiterung MQTT-SN zu den meistverbreiteten Protokollen für die wachsende Kategorie der LPWA-Netzwerke (Low-Power-Wide-Area).

MQTT ist in IoT-Anwendungen wie intelligenten Messgeräten, Asset-Trackern und vernetzten Sensoren für Industrieanlagen sehr beliebt. Aufgrund der effizienten Nutzung der Bandbreite eignet sich das System sehr gut für Szenarien, in denen die Netzwerkkosten hoch und der Energieverbrauch kritisch sind, beispielsweise wenn entfernte Sensorarrays jahrelang autonom und ohne Wartung im Feld funktionieren müssen. Es ist auch prädestiniert für mobile Anwendungen, da es nur wenig Code benötigt und Daten effizient an einen bzw. zahlreiche Teilnehmer verteilt.

Funktioneller Überblick über MQTT

Im Gegensatz zu einem Client-Server-Modell arbeitet MQTT auf einer Publisher-and-Subscriber-Basis mit zwei funktionalen Einheiten: dem MQTT-Broker (einem zentralen Server) und dem MQTT-Client. Jedes „Ding“, ob Gerät oder Anwendung, in einem IoT-Netzwerk kann ein MQTT-Client werden. Clients veröffentlichen oder abonnieren Nachrichten nicht direkt untereinander, sondern in „Topics“ (Themen), die der MQTT-Broker verwaltet. Die Topics sind vergleichbar mit E-Mail-Postfächern. Ein Client veröffentlicht eine Nachricht in einem Topic und jeder andere Client, der dieses Topic abonniert hat, erhält die Nachricht.

Der MQTT-Broker ist dafür verantwortlich, alle veröffentlichten Nachrichten zu empfangen und ihre Zustellung an alle abonnierten Clients sicherzustellen. Nachrichten werden gemäß einer Reihe von vereinbarten QoS-Stufen (Quality of Service) veröffentlicht (siehe unten). Der Broker authentifiziert außerdem alle IoT-Geräte im Netzwerk z.B. Sensoren und verwaltet Verbindungen, Sitzungen und Abonnements (Bild 1).

MQTT-SN ist eine optimierte Version von MQTT, die speziell für große drahtlose Sensornetzwerke entwickelt wurde, die zusätzliche Effizienz bei der Datenübertragung und beim Energieverbrauch benötigen. MQTT-SN verbessert die Effizienz der Datenübertragung durch Verkürzung der Topic-IDs. Durch die Möglichkeit, diese verkürzten IDs sowohl in den Client als auch in den Broker zu programmieren, wird auch das Control Messaging reduziert.

Ein Keep-Alive-Verfahren innerhalb von MQTT-SN ermöglicht es den Geräten auch, in den Sleep-Modus zu gehen und alle in der Warteschlange stehenden Nachrichten abzurufen, wenn sie aufwachen.

Diese MQTT-Konzepte gibt es: Von Topics bis QoS

Neben den Broker- und Client-Entitäten sind die folgenden Konzepte von zentraler Bedeutung für den Betrieb von MQTT und MQTT-SN: Topics, Verbindungen, Abonnements und QoS. Topics sind grundlegend für die effiziente Nutzung der Bandbreite durch MQTT. Sie haben eine mehrstufige Struktur (Bild 2). MQTT-Clients abonnieren nur die Themen, an denen sie interessiert sind. Mit Wildcard-Einträgen können sie auf mehrere Themen zugreifen. MQTT-Topics erleichtern die effiziente Organisation des Datenflusses durch das IoT-Netzwerk und ermöglichen eine breite Skalierung, da Geräte nur Daten von den abonnierten Topics empfangen.

So funktioniert bei MQTT die Verbindung zum Broker

MQTT-Clients müssen eine Verbindung zum Broker herstellen, um Nachrichten zu veröffentlichen oder zu abonnieren. Der Client gibt seine ClientID, seinen Benutzernamen und sein Kennwort an, wenn er eine Connect-Anfrage sendet, die vom Broker bestätigt wird. Verbindungsanfragen können mit den folgenden Parametern qualifiziert werden:

Clean Session – ermöglicht, dass eine Verbindungsanfrage auch alle gespeicherten Nachrichten aus der Abonnentenwarteschlange löscht.

Keep Alive – unterstützt batteriebetriebene Geräte im Sleep-Modus durch Festlegen der längsten Zeitspanne, die eine Verbindung aktiv bleiben soll, wenn keine Nachrichten vom Broker oder Client gesendet werden. Alle Nachrichten, die während dieses Zeitraums für den Client eingehen, werden vom Broker bis zum Ende des angegebenen Zeitfensters gespeichert.

Sleep (nur MQTT-SN) – wenn ein Gerät dem Broker mitteilt, dass es in den Sleep-Modus wechselt, stellt der Broker alle abonnierten Nachrichten für den angegebenen Zeitraum in die Warteschlange. Der Hauptunterschied zwischen diesem und dem Keep-Alive-Modus besteht darin, dass der Broker alle Nachrichten unabhängig von der QoS-Stufe speichert, während im Keep-Alive-Modus nur die Nachrichten mit QoS 1 und QoS 2 gespeichert werden. Der Sleep-Modus ermöglicht es dem Client auch, seine Nachrichtenwarteschlange zu leeren, ohne dass er aufwachen muss.

Welchen Zweck haben Abonnements bei MQTT?

Subscribe-Anfragen werden von Clients verwendet, um ein oder mehrere Themen zu abonnieren. Es kann eine von zwei verschiedenen Wildcard-Einstellungen verwendet werden, wie in Bild 3 dargestellt.

Die Wildcard „+“ ersetzt eine einzelne Topicebene, so dass die Anfrage „sensors/+/out“ die folgenden Topics abonnieren würde:

• sensors/soil/out
• sensors/water/out
• sensors/light/out

Die Wildcard „#“ ersetzt mehrere Topicebenen, so dass diese Wildcard die folgenden Themen abonnieren würde:

• sensors/soil/out
• sensors/soil/in
• sensors/temperature/out

MQTT und MQTT-SN verwenden QoS-Modi (Quality of Service), um dem Herausgeber von Informationen die Möglichkeit zu geben, die Qualität seiner Nachricht zu definieren. Tabelle 1 fasst diese Modi zusammen und zeigt, wie sie je nach den Einschränkungen einer bestimmten Anwendung zum Einsatz kommen können.

Abonnements haben auch eine zugehörige QoS-Einstellung, zum Einsatz kommen kann, um die QoS der veröffentlichten Nachricht herabzustufen, wobei die Nachricht immer mit der niedrigeren QoS-Einstellung veröffentlicht wird.

Mit dem IoT Communication-as-a-Service-Portfolio von u-blox (Bild 4) wird die Übertragung von Daten von IoT-Geräten aus aller Welt an ein Unternehmen durch die Verfügbarkeit von drei einander ergänzenden Produkten vereinfacht: MQTT Anywhere, MQTT Here und MQTT Now. Diese Produkte basieren auf der Grundlage eines skalierbaren, leistungsstarken MQTT-Brokers und eines leistungsstarken Datenfluss-Managers, sodass eine einfache Verarbeitung, Umwandlung und Integration von Nachrichten möglich sind. Auf dem hart umkämpften IoT Markt von heute sind kurze Entwicklungszyklen entscheidend. Mit der IoT Communication-as-a-Service Plattform nutzt u-blox die Vorteile von MQTT, um die Datenkommunikation zwischen IoT-Geräten und dem Unternehmen zu vereinfachen.

MQTT wird in Anwendungen in verschiedenen Branchen eingesetzt, unter anderem in der Automobilindustrie, der Öl- und Gasindustrie, der Fertigung und der Telekommunikation. Das Protokoll wird in der IoT Community breit unterstützt, und es stehen zahlreiche Tools, einschließlich Broker- und Client-Bibliotheken, zur Verfügung, die den Entwicklern den Einstieg erleichtern. (na)