Definition, Funktionen und Chancen von MQTT
Message Queuing Telemetry Transport, kurz MQTT, ist ein Kommunikationsprotokoll, das ursprünglich von IBM für die M2M-Kommunikation im Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurde.
Es wurde insbesondere entwickelt, um die Datenübertragung an Orten mit eingeschränkten Infrastrukturnetzwerken und Geräten mit geringem Stromverbrauch und begrenzter Leistung zu ermöglichen. Vor einigen Jahren wurde MQTT offiziell als OASIS-Standard definiert und ist seit 2019 in der neuesten MQTT 5-Spezifikation enthalten.
Wie funktioniert MQTT?
Das MQTT-Nachrichtenprotokoll macht sich das Konzept der Server-Client-Kommunikation zunutze. Dabei wird die Kommunikation zwischen Server und Client durch ein Publish-Subscribe-Muster sichergestellt. Notwendig für das Modell Publish/Subscribe ist ein Broker, der von verschiedenen Firmen angeboten wird und das Zentrum der Kommunikation darstellt. Für die Implementierung eines solchen MQTT-Brokers eignet sich insbesondere die Edge Gateway-Reihe von Welotec. Clients können sich mit dem Nachrichtenbroker verbinden und auf diese Weise Daten untereinander austauschen.
Veröffentlichen/Abonnieren
Die gesamte Kommunikation erfolgt über den zentralen Verteiler, den MQTT Message Broker. Jede Nachricht, die ein Client versendet, enthält neben dem sogenannten „Topic“ auch die eigentlichen Nutzdaten.
Jeder Client kennt somit den Broker in der Mitte der Kommunikation. Allerdings sind die Clients durch unterschiedliche Pfade völlig voneinander getrennt.
Die Topics sind einfache Textnachrichten wie „Temperatur“ und ermöglichen die Adressierung der Kommunikation. Möchte beispielsweise ein Temperatursensor Daten veröffentlichen, die er für andere Clients aufgezeichnet hat, muss er das Topic zusammen mit der eigentlichen Nachricht, dem sogenannten Payload, mitschicken. Alle anderen können diese Topics abonnieren und erhalten eine Nachricht, wenn zum entsprechenden Topic etwas veröffentlicht wurde.
Vor- und Nachteile des Kommunikationsprotokolls
Nachteile von MQTT
MQTT ist in industriellen IoT-Infrastrukturen weit verbreitet, allerdings ist das Kommunikationsprotokoll auf bekannten Steuerungen nicht standardmäßig vorhanden. Das bedeutet, dass die notwendigen Daten zunächst über andere Standards oder Protokolle ausgelesen werden müssen, um sie anschließend mit MQTT zu verarbeiten. Hierzu bieten sich Geräte mit einer Protokollumsetzung wie der Welotec Industrierouter TK602L oder die Welotec Edge Computing Gateways an , welche die Daten empfangen und als Client an einen MQTT-Broker veröffentlichen.
Des Weiteren ist der Nachrichteninhalt, also die Nutzlast, nicht spezifiziert, weshalb Sender und Empfänger im Vorfeld auf die entsprechende Nachrichtenstruktur hingewiesen werden müssen. Wird dies nicht beachtet, tauschen die Teilnehmer zwar die Daten aus, verstehen den Nachrichteninhalt jedoch nicht. Bekannte Nachrichtenstrukturen, die häufig verwendet werden, sind beispielsweise Json oder XML.
Vorteile von MQTT
Ein Vorteil des Kommunikationsprotokolls ist die Publish/Subscribe-Architektur und die Kommunikation über den MQTT-Broker. Entscheidend dabei ist, dass die Geräte und Anwendungen komplett entkoppelt sind, da jeder Client nur den Message Broker kennt, nicht aber die anderen Teilnehmer. Zudem bringt die Entkopplung der Teilnehmer einen großen Mehrwert bei der Trennung zwischen IT und OT, insbesondere wenn es um sicherheitsrelevante Infrastrukturen geht.
Mit MQTT lässt sich eine 1:N-Kommunikation abbilden, so dass es möglich ist, dass eine einzelne Nachricht von einem Abonnenten zu einem Topic veröffentlicht wird, mehrere Abonnenten die Nachricht jedoch vom Broker zugestellt bekommen.
Ein weiteres beliebtes Merkmal des Kommunikationsprotokolls im Kontext von IoT-Anwendungsfällen sind die Protokollfunktionen von MQTT . Diese Funktionen helfen bei typischen Problemen in eingeschränkten Infrastrukturen, bei denen die Bandbreite beeinträchtigt ist oder die Konnektivität instabil ist. Dazu gehören unter anderem:
- Servicequalität
- Persistente Sitzungs- und Warteschlangennachrichten
- Aufbewahrte Nachrichten
- Letzter Wille und Testament
- Keep Alive und Client-Übernahme
Chancen durch MQTT im Kontext von Industrie 4.0
MQTT eignet sich insbesondere für die zuverlässige Nachrichtenübertragung in unzuverlässigen und instabilen Netzwerken, wie zum Beispiel Mobilfunknetzen.
Damit stellt MQTT ein optimales Protokoll für das Internet der Dinge und die mobile Kommunikation dar. Das Protokoll besticht durch seine Einfachheit und einfache Implementierung in IoT-Infrastrukturen.
Mittlerweile hat sich das Protokoll insbesondere als Standard für die Kommunikation zu Cloud-Systemen etabliert und wird somit auch in der Industrie eingesetzt. Insbesondere die Möglichkeit, eine veröffentlichte Nachricht gleichzeitig an verschiedene Dienste zu verteilen, ist dabei ein nützliches Tool. Stand heute ist MQTT aufgrund seiner besonderen Protokolleigenschaften eines der führenden und überzeugendsten Protokolle im IoT. Auch zukünftig wird das Kommunikationsprotokoll bei der Umsetzung von Industrie 4.0 eine große Rolle spielen, insbesondere im Hinblick auf Cloud-Systeme wie Microsoft Azure.
