Introdução ao Protocolo MQTT, Esquemas de Matérias técnicas

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Glossário

Nome Direção Descrição CONNECT – Cliente para Servidor – Requisição do cliente para conectar ao servidor CONNACK – Servidor para Cliente – Reconhecimento da conexão PUBLISH – Cliente para Servidor ou Servidor para Cliente – Publicar mensagem PUBACK – Cliente para Servidor ou Servidor para Cliente – Reconhecimento da publicação PUBREC – Publicação recebida – Publicação recebida (parte 2 do QoS=1) PUBREL – Cliente para Servidor ou Servidor para Cliente – Publicação lançada (parte 2 do QoS=2) PUBCOMP – Cliente para Servidor ou Servidor para Cliente – Publicação completa (parte 3 do QoS=2) SUBSCRIBE – Cliente para Servidor – Pedido de inscrição SUBACK – Servidor para Cliente – Reconhecimento de inscrição UNSUBSCRIBE – Cliente para Servidor – Pedido de desinscrição UNSUBACK – Servidor para Cliente – Reconhecimento desinscrição PINGREQ – Requisição – Requisição PING PINGRESP – Servidor para Cliente – Resposta PING DISCONNECTy – Cliente para Servidor – Cliente está desconectado

INTRODUÇÃO AO MQTT

O MQTT (Message Queue Telemetry Transport) é um protocolo de comunicação entre máquinas (Machine to Machine - M 2 M) desenvolvido através de uma parceria entre a IBM e Eurotech em 1999. Seu objetivo original foi viabilizar a comunicação de sensores fisicamente distribuídos em oleodutos com sistema de satélites para permitir o monitoramento remoto do transporte do petróleo pelas tubulações. Foi projetado com as seguintes premissas:

• Ser incorporado em equipamentos (sensores) com poucos recursos computacionais;
• Possuir baixa largura de banda pois o custo da comunicação via satélite era elevado;
• Operar em equipamentos com baixo consumo de energia.

Este protocolo permaneceu restrito às empresas desenvolvedoras até 2010 , quando foi liberado para utilização pública gratuitamente. Em 2014 , a versão 3. 1 tornou-se um protocolo padrão aberto da OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards). Sendo um padrão aberto, um grande número de empresas começaram a se interessar em implementar o padrão em suas soluções de conectividade. Com surgimento dos conceitos de Internet das Coisas (IoT) e indústria 4. 0 na última década, a conectividade entre dispositivos passou a ser mandatória, tornando hoje o MQTT, um dos protocolos de comunicação mais utilizados para a interconexão de equipamentos e sistemas através da internet.

COMO FUNCIONA O MQTT

Como mencionado na introdução, o protocolo MQTT foi criado para permitir a troca de dados entre 2 ou mais dispositivos. Vamos considerar um cenário real para entendermos como o protocolo MQTT funciona. Imagine que uma pessoa deseje monitorar a temperatura

da água de seu aquário de casa através do seu smartwatch.

20 °C

20 °C 20 °C

F2 - Sensor de temperatura envia valor (20 oC) para um smartwatch.

O principal problema para conseguir que a informação do sensor chegue ao smartwatch é que o sensor de temperatura não tem nenhuma informação sobre o que é, e tão pouco onde esta o dispositivo smartwatch e, analogamente o smartwatch também não “conhece” o sensor de temperatura. Para solucionar este problema o protocolo MQTT propõe um terceiro elemento denominado BROKER que é conhecido tanto pelo dispositivo Aquário quanto pelo dispositivo smartwatch. 20 °C 20 °C BROKER F4 - Dispositivo DEV_A se comunica com o dispositivo DEV_B através de um BROKER DEV_A DEV_B

O Broker é um programa de aplicação que roda em um servidor dentro de uma intranet ou na nuvem e aceita conexões de clientes em uma porta específica. Desta forma, todos os dispositivos que necessitarem enviar dados (sensor de temperatura) ou receber dados ( smartwatch ) se comunicam com o Broker e este será o responsável por receber a informação gerada pelo sensor de temperatura e envia-lá para o smartwatch. Note que, com esta abordagem o sensor não necessita de nenhuma informação do smartwatch para enviar o valor da temperatura (TEMP). Da mesma forma o smartwatch também não necessita de nenhuma informação sobre o sensor de temperatura. Os dois dispositivos necessitam saber apenas como acessar o Broker e isto é definido pelo protocolo MQTT.

O padrão Publish(publicador) / Subscriber(assinante) utiliza o BROKER como o elemento concentrador que tem por função receber as mensagens dos dispositivos que querem enviar tópicos (denominados publishers) e encaminhá-las para os dispositivos que assinaram estes tópicos (denominados subscribers). Todos os equipamentos que quiserem trocar dados são denominados clientes MQTT e devem se conectar a um Broker para que o envio e recepção das informações ocorra. 20 °C 20 °C BROKER DEV_A DEV_B CLIENTE MQTT CLIENTE MQTT F5 - Conexão dos clientes MQTT (DEV_A e DEV_B) ao BROKER

O processo de conexão dos clientes ao BROKER é simples e será detalhado na próxima sessão do documento. Uma vez conectados ao BROKER, a sequência ao lado ilustra as etapas necessárias para que o tópico TEMP seja enviado pelo dispositivo DEV_A e recebido pelo dispositivo DEV_B. 20 °C 20 °C BROKER DEV_A DEV_B DEV_B ASSINA TÓPICO TEMP NO BROKER F6 - Padrão Publisher / Subscriber 1 20 °C 20 °C BROKER DEV_A DEV_B DEV_A PUBLICA TEMP 2 20 °C 20 °C BROKER DEV_A DEV_B BROKER ENVIA TEMP PARA DEV_B 3

O protocolo MQTT define os formatos dos pacotes a serem trocados entre os clientes e o Broker para que o padrão Publish/Subscriber descrito seja implementado. O MQTT é aplicado em automação industrial, comercial e residencial, focado em disponibilizar a troca de informações entre dispositivos, funcionalidade denominada de M 2 M (machine to machine). Com a expansão dos dispositivos IoT (Internet of Things) o protocolo MQTT vem se tornado um padrão para interconexão destes elementos.

O PROTOCOLO MQTT

Algumas das características do MQTT explicam a popularidade deste protocolo:

• padrão de comunicação aberto, permitindo sua utilização sem custos de royalty;
• simples de implementar e robusto;
• consegue ser incorporado em dispositivos com poucos recursos de memória e processamento;
• consumo de banda de dados mínimo e configurável pela aplicação;
  • apenas as mensagens assinadas no Broker serão encaminhadas para o dispositivo, não existindo tráfego inútil;
  • informações são publicadas quando necessário para outros dispositivos, não sendo necessário polling de dados, o que aumenta a banda de dados e diminui a latência (tempo necessário para que a informação chegue ao seu destino);
• excelente performance em aplicações e serviços que não demandam alta taxa de dados;
• inerentemente distribuído permitindo conexão entre dois dispositivos localizados em qualquer lugar do mundo desde que tenha acesso a internet através de qualquer meio (rede física, celular, satélite etc).
• Uma dada mensagem importante pode ficar armazenada no Broker e ser transmitida para um cliente quando este se conectar.
• Existem recursos no protocolo para garantir que uma dada mensagem seja entregue ao equipamento destino aumentando a confiabilidade da solução de comunicação;

Antes de iniciar o processo de publicação e recepção de tópicos um cliente necessita se conectar ao Broker, trocando as seguintes mensagens:

O PROCESSO DE CONEXÃO COM O BROKER

PROCESSO DE CONEXÃO COM O BROKER

Conexão autenticada CONNAK

CONNECT (CLIENT_ID, USER, PASSW)

Conexão recusada Esse tipo de FLUXO chama-se Diagrama de Sequência UML, possui um padrão clicando aqui!

CLIENTE PUBLICADOR

DEV_A BROKER

Broker fecha conexão TCP/IP Processo de conexão com sucesso

BROKER

Processo de conexão recusada pelo BROKER CONNECT (CLIENT_ID, USER, PASSW) Sequência de conexão de um Cliente MQTT Publicador e um Cliente MQTT Subscritor com um Broker MQTT.