MQTT Protokoll

Grundsätzliches

Entwicklung und Zweck

• MQTT wurde von IBM als "Message Queueing Telemetry Transport" entwickelt und ist besonders für das IoT geeignet.

Protokollart

• MQTT ist ein Publish/Subscribe-Protokoll, bei dem sich Clients mit einem Broker verbinden, um Nachrichten zu senden oder zu empfangen.

Ports und Kommunikation

• Nutzt TCP-Port 1883 und TLS-TCP-Port 8883, reduziert die Notwendigkeit von Polling, was Bandbreite spart und die Latenz minimiert.

Client und Broker Beziehung

• Der Inhalt der Nachrichten ist dem Broker unbekannt; seine Aufgabe endet mit der Zustellung der Nachricht.

Topics und Nachrichtenhandling

• Nachrichten sind mit Topics verbunden, die wie hierarchische Pfade strukturiert sind und Wildcards für flexible Abonnements unterstützen.

Payloads und Daten

• Unterstützt bis zu 256 MByte große Payloads, häufig verwendet für einfache Datenstrings oder JSON-verpackte Daten.

Retained-Flag

• Der Broker speichert die letzte Nachricht eines Topics und stellt sie jedem neuen Subscriber sofort zu.

LWT (Last Will and Testament)

• Ermöglicht Clients, beim Verbinden eine Nachricht zu hinterlegen, die der Broker erst bei einem unerwarteten Ausfall veröffentlicht.

Online-/Offline-Status

• Üblicher Kniff: Online-Status wird als retained Nachricht gesetzt, der Offline-Status kommt per LWT (idealerweise ebenfalls retained) — so kommunizieren Clients zuverlässig, ob sie erreichbar sind.

Qualitätskontrolle

• MQTT bietet drei Servicequalitätsstufen (QoS), die von keiner Zusicherung bis zur garantierten einmaligen Zustellung reichen.

Broker

• MQTT-Broker wie Mosquitto und HiveMQ bieten erweiterte Funktionen wie Clustering und unterstützen Websockets für flexible Netzwerkanwendungen.

Praxis

Praktische Anwendung

• Ein Beispiel ist ein Temperatursensor, der Temperaturen in Fahrenheit misst und nach Konvertierung in Celsius wieder publiziert.

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MQTT-Kommandos in der Praxis

• Befehl im ersten Terminal: mosquitto_sub -v -t '#'
• Befehl im zweiten Terminal für eine einfache Nachricht: mosquitto_pub -t linux/magazin -m "Hello world"
• Befehl mit Retained Flag: mosquitto_pub -r -t linux/magazin -m "Hallo Welt"

Retained Messages

• Wenn das Retained-Flag verwendet wird, begrüßt MQTT zukünftige Subscriber mit der zuvor gespeicherten Nachricht auf dem Topic "linux/magazin".

Broker und Bridges

• Die Auswahl eines MQTT-Brokers sollte basierend auf den spezifischen Anforderungen wie Clustering-Support und Sprachunterstützung getroffen werden.
• MQTT-Bridges helfen, Geräte ohne TLS-Support sicher zu verbinden, indem Nachrichten zu einem nahegelegenen gesicherten Broker weitergeleitet werden.

Anwendung und Monitoring mit MQTT

• MQTT kann verwendet werden, um den Status langer Prozesse zu überwachen, indem periodisch Statusmeldungen gesendet werden.
• Beispiel eines Skripts, das MQTT nutzt, um den Status eines laufenden Prozesses zu überwachen:

#!/bin/sh
source mqttfuncs.sh
mqtt Start
# for ... # lange Schleife
mqtt "verarbeite jetzt xyz `date`"
# done
mqtt "So, jetzt ist Schluss"

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Für Programmierer

• Die »mosquitto_*«-Utilities sind für Tests oder zum Einbetten in Shellskripte unerlässlich.
• Unabhängig davon existieren MQTT-APIs für viele Sprachen, von Java und Javascript über C, C#, Objective-C und Lua bis Perl und Python.
• Der in Python geschriebene Subscriber aus Listing 3 vereinbart zunächst einen Callback, der aufgerufen wird, sobald eine Nachricht eintrifft.
• Jetzt verbindet sich der Client mit dem Broker und geht kontrolliert in eine Endlosschleife.
• Trifft vom Broker eine Nachricht mit dem richtigen Topic ein, wird der Callback ausgeführt, der die Nachricht ausgibt, in eine Datenbank speichert oder Ähnliches.

Listing 3 - Subscriber in Python

#!/usr/bin/env python3
import paho.mqtt.client as paho   # pip install paho-mqtt

def on_message(client, userdata, msg):
    print("%s (qos=%s, r=%s) %s" % (msg.topic, msg.qos, msg.retain, msg.payload.decode()))

mqtt = paho.Client(paho.CallbackAPIVersion.VERSION2)
mqtt.on_message = on_message

mqtt.connect("localhost", 1883, 60)
mqtt.subscribe("linux/+", 0)

mqtt.loop_forever()

Weitere Funktionen

• Um den Client-Status zu überwachen, fügt man einen letzten Willen in das Skript ein.
• Das Projekt »mqttwarn« bietet ein Python-Werkzeug mit vielen Plugins für das Monitoring an.

Listing 4 - Mqttwarn-Konfiguration

[defaults]
launch   = log, pushover

[config:log]
targets = {
    'info'   : [ 'info' ],
}

[config:pushover]
targets = {
    'linux'  : ['ml1234567890..', 'buzQx...'],
}

[alerts/attention]
targets = pushover:linux, log:info
title: Linux Magazin
format = {payload}

Websockets

• Moderne Webbrowser können MQTT mit Hilfe von Websockets nutzen.
• Das Paho-Projekt stellt ein Javascript-Modul bereit, das dies implementiert.
• Viele Broker bieten Websocket-Unterstützung; bei Mosquitto muss dafür ein eigener Listener konfiguriert werden (z. B. listener 9001 + protocol websockets).

Im richtigen Leben

• MQTT wird außerhalb des IoT in verschiedenen Produkten eingesetzt, z. B. für den Statistik-Daemon Collectd und das Loggingsystem Graylog.
• Das Open-Source-Projekt Owntracks stellt iOS- und Android-Clients bereit, die über MQTT Positionierungsdaten an den eigenen MQTT-Broker liefern.
• Bei der Heimautomatisierung und openHAB kann MQTT ebenfalls nützlich sein.
• Facebook setzt beim Messenger aufgrund der geringen Latenz auf MQTT.

Quellen

• https://www.linux-magazin.de/ausgaben/2015/11/mqtt/