Was ist MQTT?

Message Queuing Telemetry Transport, kurz MQTT, ist ein ursprünglich von IBM entwickeltes Kommunikationsprotokoll für M2M-Kommunikation im Internet der Dinge (IoT).
Es wurde insbesondere entwickelt, um an Orten mit eingeschränkten Infrastrukturnetzen und energiesparenden Geräten mit einer begrenzten Leistung eine Datenübermittlung zu ermöglichen. Vor einigen Jahren wurde MQTT offiziell als OASIS Standard festgelegt und befindet sich seit 2019 in der neuesten MQTT 5 Spezifikation .

Wie funktioniert MQTT?

Das Nachrichtenprotokoll MQTT bedient sich dem Konzept der Server-Client-Kommunikation. Die Kommunikation zwischen Server und Client wird hierbei durch ein Publish-Subscribe-Pattern gewährleistet. Notwendig für das Modell von Publish / Subscribe ist ein Broker, der von verschiedenen Unternehmen angeboten wird und im Mittelpunkt der Kommunikation steht. Die Edge Gateway Serie von Welotec eignet sich besonders für die Implementierung eines solchen MQTT-Brokers. Clients können sich mit dem Message-Broker verbinden und auf diesem Wege Daten untereinander austauschen.

Publish/Subscribe

Jegliche Kommunikation findet über den zentralen Verteiler, dem MQTT Message Broker, statt. Jede Nachricht, die ein Client sendet, enthält neben der so genannten „Topic“ die tatsächlichen Nutzdaten.

Jeder Client kennt demnach den Broker in der Mitte der Kommunikation. Untereinander sind die Clients jedoch durch verschiedene Wege vollkommen voneinander getrennt.
Die Topics sind einfache Textnachrichten wie „temperature“ und ermöglichen die Adressierung der Kommunikation. Möchte bspw. ein Temperatursensor Daten, die aufgenommen wurden, für andere Clients veröffentlichen, muss dieser neben der tatsächlichen Nachricht, dem sogenannten Payload, auch die Information der Topic mitschicken. Alle anderen können diese Topics abonnieren und erhalten eine Nachricht, wenn auf dem entsprechenden Topic etwas gepublished wurde.

Vorteile und Nachteile des Kommunikationsprotokolls

Nachteile von MQTT

MQTT kommt zwar häufig in industriellen IoT-Infrastrukturen vor, jedoch ist das Kommunikationsprotokoll nicht standardmäßig auf bekannten Steuerungen zu finden. Dies bedeutet, dass die nötigen Daten zuerst über andere Standards oder Protokolle ausgelesen werden müssen, um diese anschließend mit MQTT weiterzuverarbeiten. Hierfür können Geräte mit einer Protokollumwandlung wie der Welotec Industrie Router TK602L oder die Welotec Edge Computing Gateways, die die Daten aufnehmen und als Client an einen MQTT-Broker veröffentlichen, genutzt werden.

Weiterhin ist der Nachrichteninhalt, also der Payload, nicht spezifiziert, weshalb dem Sender und Empfänger vorab die entsprechende Nachrichtenstruktur bekannt gemacht werden muss. Wird darauf nicht geachtet, tauschen die Teilnehmer zwar die Daten aus, aber verstehen den Nachrichteninhalt nicht. Bekannte Nachrichtenstrukturen, die oft verwendet werden, sind bspw. Json oder XML.

Vorteile durch MQTT

Ein Vorteil des Kommunikationsprotokoll liegt in der Publish/Subscribe-Architektur und der Kommunikation über den MQTT-Broker. Entscheidend hierbei ist, dass die Geräte und Applikationen komplett entkoppelt sind, da jeder Client nur den Message Broker kennt, nicht jedoch die anderen Teilnehmer. Zudem bringt die Entkopplung der Teilnehmer einen großen Mehrwert bei der Trennung zwischen IT und OT, besonders wenn es um sicherheitsrelevante Infrastrukturen geht.

Mit MQTT ist eine 1:N-Kommunikation abbildbar, es ist also möglich, dass eine einzelne Nachricht von einem Teilnehmer an ein Topic veröffentlicht wird, jedoch mehrere Abonnenten die Nachricht vom Broker zugestellt bekommen können.

Ein weiteres beliebtes Merkmal des Kommunikationsprotokolls im Zusammenhang mit IoT-Anwendungsfällen liegt außerdem in den Protokollfeatures von MQTT. Diese Features bedienen typische Probleme in eingeschränkten Infrastrukturen, bei denen die Bandbreite beeinträchtigt oder die Konnektivität instabil ist. Dazu gehören unter anderem:

• Quality of Service Levels
• Persistent Session and Queuing Messages
• Retained Messages
• Last Will and Testament
• Keep Alive & Client Take-Over

Chancen durch MQTT im Kontext von Industrie 4.0

MQTT ist besonders geeignet für eine zuverlässige Nachrichtenübertragung in unzuverlässigen und instabilen Netzwerken, wie etwa bei Mobilfunk-Netzwerken.

Das macht MQTT zu einem optimalen Protokoll für das Internet der Dinge und die mobile Kommunikation. Das Protokoll überzeugt mit seiner Einfachheit und der Leichtigkeit bei der Implementierung in IoT-Infrastrukturen.

Mittlerweile hat sich das Protokoll besonders als Standard für die Kommunikation zu Cloud-Systemen durchgesetzt und findet somit auch in der Industrie seine Verwendung. Besonders die Möglichkeit eine Nachricht, die veröffentlicht wurde, gleichzeitig auf verschiedene Services zu verteilen ist hierbei ein nützliches Tool. Stand heute ist MQTT durch seine besonderen Protokoll-Features eines der führenden und überzeugendsten Protokolle im IoT. Auch in Zukunft wird das Kommunikationsprotokoll, besonders mit Hinblick auf Cloud-Systeme wie Microsoft Azure, eine tragende Rolle in der Umsetzung von Industrie 4.0 spielen.