Představení protokolu MQTT a jeho aplikace v jednotkách Poseidon2 a Damocles2

Jak to vlastně funguje

Protokol MQTT lze asi nejblíže přirovnat SNMP trapu, ale na TCP vrstvě. Komunikace tedy neprobíhá stylem otázka odpověď, ale jen stylem odeslání dat a potvrzení o jejich doručení – tzv. publikování (publish). To představuje velikou výhodu pro zatížení sítě, protože jednotlivá, „vstupní“ zařízení (senzory, detektory apod.) v pravidelných intervalech či podle jinak výrobcem zadaných kritérií (sepnutí či rozepnutí vstupu, překročení povolené meze hodnoty, nárůst či pokles hodnoty a podobně) aktivně odesílají krátké TCP zprávy na zadanou adresu serveru, tzv. Brokeru.

Každá zpráva je uvozena nějakým předmětem či názvem tématu (Topic) který data charakterizuje a řadí je do nějaké skupiny či je identifikuje.

Broker

Broker, se primárně chová jako server, tedy přijímá data a skladuje je. Navíc se však umí chovat vůči ostatním Brokerům v síti rovněž jako klient (vstupní zařízení) schopný odesílat data dál všem odběratelům (subscriber), kteří si je objednali k odběru (subscribe). Odběratelem v tomto případě může být například webová služba, aplikace či právě jiný broker. Jinými slovy, zatímco koncová zařízení odesílají data na zadané adresy Brokerů, odběratelé se hlásí Brokerům s přihlášením k odběru (podobně jako se zákazníci přihlašují k odběru novinek e-mailem). Pokud broker obdrží zprávu obsahující Topic odpovídající přihlášenému odběru, zprávu uloží a současně rozešle přihlášeným odběratelům.

Topic

Téma, či předmět, zprávy je vždy textový řetězec, který může nabývat stromové struktury pomocí znaku „/“ (lomeno). Topic pak může vypadat například takto:

Poseidon/1-Wire/temperature/856275
GTS/nagano/room1/temperature

Odběratel se pak může přihlásit buď k odběru konkrétního tématu (topicu) nebo celé větvě či celého stromu. V topicu lze použít zástupné znaky „#“, ,,+“ a „$“.

• „+“ nahrazuje celou úroveň (Poseidon/+/temperature/856275), znak
• „#“ je ekvivalentem známé hvězdičky a nahrazuje více úrovní (Poseidon/#). Znak „#“ smí být použit pouze na konci řetězce.
• „$“ jsou speciální, zpravidla systémová témata. Pokud jméno tématu začíná znakem „$“, jedná se o speciální téma (např. $SYS/broker/uptime).

Součástí Topicu je pak ještě příznak QoS, který definuje, zda je požadováno doručení zprávy. Hodnota 0 představuje, informaci že úspěšné doručení není vyžadováno, hodnota 1 umožňuje doručení s možnou duplicitou (nedorazí-li potvrzení o doručení, odešle se zpráva znovu) a hodnota 2 značí že je požadováno úspěšné doručení, ale nesmí dojít k duplicitám.

Payload

Payload představuje vlastní obsah zprávy. Standardně se obsah zprávy předpokládá v textové podobě, ale protokol MQTT je v tomto směru benevolentní a záleží jen a jen na brokeru a odběratelích, zda a jak si s obsahem poradí. Data tedy mohou být i binární či například může jít o obrázky. Velikost a typ zprávy jsou dány brokerem. Řada brokerů pak například preferuje soubory XML nebo JSON, protože pro větší objem dat jsou úspornější než odeslání většího počtu krátkých zpráv (topiců).

Bezpečnost

Protokol MQTT standardně komunikuje na TCP vrstvě na portu 1883. Pro zvýšení bezpečnosti lze použít komunikaci zabezpečenou pomocí SSL / TLS a poté komunikace probíhá na portu 8883

Aplikace MQTT v jednotkách Poseidona2 a Damocles2

V jednotkách Poseidon2 a Damocles2 je implementován MQTT klient s volitelnou podporou SSL.

• MQTT enable – Zapne či vypne podporu MQTT v jednotkách Poseidon2 a Damocles2.
• Server – IP adresa nebo doménové jméno MQTT brokeru (serveru)
• Port – TCP port na kterém Broker naslouchá
• Username – Uživatelské jméno pro autorizaci TCP komunikace
• Password – Heslo pro autorizaci TCP komunikace
• Secure SSL mode – Aktivuje/deaktivuje SSL režim                          
• Client ID – ID klienta v rámci MQTT                       
• Publish Period – perioda odesílání naměřených informací          
• Topic Prefix Name – Přefix předmětu zprávy. Celý Topic je pak tvořen složením prefixu + topicu uvedeného níže
• Publish – vybere informace které mají být odesílány
• User Topic umožňuje vytvoření uživatelského topicu (zprávy) obsahujícího data jaké požaduje uživatelská aplikace (JSON, XML, CSV a pod.). K tomu slouží makropříkazy uvedené níže
  • User Topic Enable – zapne zasílání uživatelské zprávy
  • Topic Name - Název zprávy
  • Topic Value – šablona uživatelské zprávy
  • Topic Test – náhled výsledné zprávy po přeložení maker

Macros for User topic:

%ID_IN_*% - Start of sequence of the inputs with firmly defined ID’s %ID_IN_END% - End of the fixed sequence of the inputs
%LOOP_IN% - Beginning of the sequence of the inputs that passes all ID’s %LOOP_IN_END% - End of the complete sequence of the inputs
%ID_OUT_*% - Start sequence of the outputs with firmly defined ID’s %ID_OUT_END% - End of fixed sequence of the outputs
%LOOP_OUT% - Start sequence outputs that passes all ID’s
%LOOP_OUT_END% - End of the complete sequence of the outputs
%ID_SENSOR_*% - Start sequence with sensors firmly defined ID’s %ID_SENSOR_END% - End of fixed sequence sensors
%LOOP_SENSOR% - Start sequence of sensors that passes all ID’s %LOOP_SENSOR_END% - End of the complete sequence of sensors
%VAL_ID% - Variable ID item
%VAL_NAME% variable name item
%VAL_VALUE% - variable values of the item
%VAL_STATE% - state variables of the item

Username and password are optional. For example, broker.mqttdashboard.com does not require them yet.

MQTT in practice

There are many public MQTT brokers where data can be sent and topics can be subscribed to. A list of the most well-known ones is available at: https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/public_brokers

For our example, we have chosen broker.mqttdashboard.com. First, configure the Poseidon2 device:

Fill in the Server address, Port, Client ID (any value) and Topic Prefix Name (anything that can be used to distinguish the device). Using the Publish checkboxes, select the data to be published.
Then, Poseidon2 or Damocles2 needs to be restarted.  

Start the TT3 tool. It is essentially a MQTT Broker. It is available at: https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/public_brokers

Set the broker (Server) address and Port (both values must be the same as in the Poseidon2), and a Client ID (must be different from the Poseidon Client ID). Then click Connect. The green status field in the lower right-hand corner will show Connected.

Then, in the Topic field, fil in the address that interests you. For example, “Poseidon2/#” means all messages whose Topic begins with Poseidon2/. Click Subscribe to start receiving messages.