MQTT: پروتکل استاندارد اینترنت اشیا
پروتکل MQTT مخفف Message Queuing Telemetry Transport به عنوان یکی از محبوب‌ترین پروتکل‌های ارتباطی در حوزه اینترنت اشیا (IoT) شناخته میشود. این پروتکل با طراحی ساده و انعطاف پذیر خود، راه حلی ایده آل برای انتقال اطلاعات در محیط‌هایی با پهنای باند محدود یا شبکه‌های ناپایدار ارائه می‌دهد. پروتکل MQTT با استفاده از مدل انتشار/اشتراک (Publish/Subscribe)، امکان تبادل پیامهای سریع و امن بین دستگاهها را فراهم میکند. به همین دلیل در کاربردهایی نظیر خانه‌های هوشمند، اتوماسیون صنعتی و مانیتورینگ از راه دور مورد توجه قرار گرفته است.
MQTT چیست؟
یک پروتکل ارتباطی سبک و استاندارد است که برای انتقال داده‌ها در محیط‌های با منابع محدود و شبکه‌های ناپایدار طراحی شده است. این پروتکل بر پایه مدل انتشار/اشتراک (Publish/Subscribe) کار میکند و امکان تبادل پیامهای سریع، کارآمد و قابل اعتماد بین دستگاهها را فراهم می‌سازد. MQTT، ابتدا در سال 1999 توسط اندی استنفورد-کلارک و آرن تیپر برای نظارت بر خطوط لوله نفت و گاز توسعه یافت. بعدها این پروتکل به یکی از پروتکل‌های کلیدی در اینترنت اشیا (IoT) و ارتباطات دستگاه به دستگاه تبدیل شد.
ویژگی‌های کلیدی MQTT
پروتکل MQTT به دلیل طراحی کارآمد و انعطاف پذیر خود، مجموعه‌ای از ویژگی‌های کلیدی را ارائه می‌دهد که آن را برای اینترنت اشیا و ارتباطات دستگاه به دستگاه ایده آل می‌سازد. در این بخش، به بررسی این ویژگی‌ها می‌پردازیم:
کلاینت‌های MQTT
این کلاینت‌ها نقش ناشر (Publisher) یا مشترک (Subscriber) را ایفا می‌کنند. ناشران پیام‌ها را به Broker یا همان کارگزار MQTT ارسال می‌کنند، در حالی که مشترکان پیامهای مورد نظر خود را از کارگزار دریافت می‌کنند. پیاده سازی کلاینت‌های MQTT معمولا منابع زیادی نیاز ندارد و در استفاده از پهنای باند بسیار کارآمد عمل می‌کنند.
Broker یا کارگزار MQTT
به عنوان یک واسطه مرکزی عمل میکند که پیامهای منتشر شده توسط ناشران را دریافت کرده و به مشترکان مورد نظر ارسال میکند. هر پیام ارسالی شامل یک موضوع (Topic) است که کلاینت‌ها آن را به اشتراک می‌گذارند و Broker از لیست اشتراک‌ها برای تعیین گیرندگان پیام استفاده میکند.
سطوح کیفیت خدمات (QoS) در MQTT
MQTT سه سطح کیفیت خدمات (Quality of Service) را برای توافق بین فرستنده و گیرنده ارائه می‌دهد. این سطوح به برنامه‌های اینترنت اشیا کمک می‌کنند تا در شبکه‌های غیر قابل اعتماد، امنیت بیشتری داشته باشند.
- حداکثر یک بار (سطح 0): پیام بدون تایید دریافت ارسال میشود، که ممکن است به از دست رفتن پیام منجر شود.
- حداقل یک بار (سطح 1): تضمین میشود که پیام حداقل یک بار به گیرنده برسد، اما ممکن است تکراری باشد.
- دقیقا یک بار (سطح 2): تضمین میشود که پیام دقیقا یک بار و بدون تکرار به گیرنده تحویل داده شود.
جلسات پایدار (Persistent Sessions)
MQTT امکان ایجاد جلسات پایدار بین کلاینت و کارگزار را فراهم میکند. این ویژگی باعث میشود که حتی در صورت قطع ارتباط شبکه، اطلاعات جلسه حفظ شود. پس از برقراری مجدد ارتباط، کلاینت می‌تواند بدون نیاز به پیکربندی مجدد به کارگزار وصل شود. این قابلیت، MQTT را نسبت به پروتکل‌هایی مانند HTTP برای استفاده در شبکه‌های ناپایدار مانند شبکه‌های سلولی کارآمدتر میکند.
پیامهای نگه داری شده (Retained Message)
هنگامی که یک کلاینت Topic جدیدی را به اشتراک می‌گذارد، ممکن است اطلاعی از زمان دریافت اولین پیام نداشته باشد. با این حال کارگزار (Broker) می‌تواند یک پیام نگه داری شده را ذخیره کند که بلافاصله پس از اشتراک جدید به کلاینت ارسال میشود. این ویژگی تضمین میکند که کلاینت حداقل یک پیام مرتبط با موضوع دریافت کند.
Last Will and Testament
کلاینت‌های MQTT می‌توانند پیامی به نام Last Will را برای کارگزار مشخص کنند که در صورت قطع ارتباط غیر عادی توسط کارگزار ارسال میشود. این پیام به سایر کلاینت‌های مرتبط اطلاع می‌دهد که کلاینت از دسترس خارج شده است و به این ترتیب امکان اطلاع رسانی سیستمی منظم‌تر فراهم میشود.
کاربردهای MQTT
اکنون که به صورت نظری، این پروتکل را بررسی کردیم می‌خواهیم کاربردهای آن را در دنیای واقعی نیز بررسی کنیم. پروتکل MQTT به دلیل حجم سبک و مقیاس پذیری بالایی که دارد در طیف گسترده‌ای از صنایع نقشی بسیار کلیدی ایفا میکند. در این بخش به بررسی عمیق‌تر کاربردهای عملی MQTT در حوزه‌های مختلف می‌پردازیم و نشان می‌دهیم که چگونه ویژگی‌های این پروتکل نیازهای دنیای واقعی را برآورد میکند.
1. اینترنت اشیا (IoT) و خانه‌های هوشمند
در خانه‌های هوشمند، دستگاههایی مانند ترموستات‌ها، لامپ‌های هوشمند، دوربین‌های امنیتی و حسگرهای محیطی نیاز به ارتباط سریع و کم مصرف دارند. پروتکل MQTT، با مدل انتشار/اشتراک امکان ارسال داده‌ها به صورت لحظه به لحظه را به سرورها یا سایر دستگاهها فراهم میکند. برای مثال، پلتفرم Home Assistant یک سیستم منبع باز برای مدیریت خانه هوشمند است که از MQTT برای هماهنگی بین دستگاههای مختلف استفاده میکند.
- مثال عملی: مثلا یک حسگر دما می‌تواند اطلاعات را به موضوع‌های مختلف تقسیم کند و یک سیستم تهویه مطبوع را به طور خودکار برای هر کدام از بخش‌های خانه فعال نماید.
2. اتوماسیون صنعتی
در محیط‌های صنعتی، مانیتورینگ و کنترل تجهیزات برای افزایش بهره وری و کاهش خرابی‌ها حیاتی است. پروتکل MQTT به طور گسترده در این کارخانههای هوشمند و اتوماسیون صنعتی استفاده میشود.
- مثال عملی: در یک کارخانه تولیدی، حسگرهای نصب شده روی ماشین آلات، اطلاعاتی مانند دما، فشار یا سرعت چرخش را با عنوانی مانند Factory/Machine1/Status به اشتراک می‌گذارد. سیستم‌های مانیتورینگ به این عناوین دسترسی دارند و می‌توانند هشدارهایی مانند خرابی و نیاز به تعمیر را در لحظه ارائه دهند. هر کدام از این عناوین مختص یک دستکاه خاص هستند که وضعیت آن را نشان می‌دهند.
3. سلامت دیجیتال و مانیتورینگ پزشکی
در حوزه سلامت، دستگاههای پزشکی مانند ضربان سنج‌ها، دستگاههای مانیتورینگ قند خون و یا تجهیزات بیمارستانی، نیاز به انتقال امن و سریع اطلاعات به سرورهای مرکزی یا پزشکان دارند. پروتکل MQ Telemetry Transport با پشتیبانی از TLS و ساختار سبک خود برای این کاربردها بسیار مناسب است.
- مثال عملی: یک دستگاه پوشیدنی که ضربان قلب بیمار را اندازه گیری میکند را تصور کنید. این دستگاه می‌تواند در لحظه اطلاعات را به سرور مرکزی یا اپلیکیشن اختصاصی پزشکان ارسال کند. همچنین در صورت مشاهده ناهنجاری برای پزشکان هشدار فوری ارسال نماید.
4. کشاورزی هوشمند
پروتکل MQTT در کشاورزی هوشمند برای بهینه سازی مصرف آب، کود و انرژی استفاده میکند. از این پروتکل در حوزه کشاورزی برای جمع آوری دادههای محیطی و کنترل سیستم‌های خودکار کاربرد دارد.
- مثال عملی: در یک مزرعه هوشمند، حسگرهای خاک رطوبت و دما را ذخیره می‌کنند. سپس یک سیستم آبیاری که با این موضوع ارتباط دارد می‌تواند بر اساس داده‌هایش به صورت خودکار فعال یا غیر فعال شود.
نتیجه گیری
پروتکل MQTT یکی از مهم‌ترین ابزارهای ارتباطی در عصر اینترنت اشیا (IoT) و ارتباطات دستگاه به دستگاه است. ویژگی‌های کلیدی این پروتکل، از جمله مدل انتشار/اشتراک و پیامهای نگه داری شده، آن را برای کاربردهای متنوعی از خانه‌های هوشمند و اتوماسیون صنعتی تا سلامت دیجیتال و کشاورزی هوشمند ایده آل کرده است.
سوالات متداول
پروتکل MQTT چیست؟
یک پروتکل ارتباطی استاندارد است که هدف آن استفاده در اینترنت اشیا (IoT) می‌باشد.
چه نوع دستگاههایی قادر به استفاده از پروتکل MQTT هستند؟
این پروتکل برای طیف وسیعی از دستگاهها، ازجمله حسگرهای کم مصرف اینترنت اشیا، میکرو کنترلرها مانند Raspberry Pi و دستگاههای پوشیدنی مناسب است.
امنیت در پروتکل MQTT چگونه تامین میشود؟
این پروتکل از مکانیزمهای امنیتی مانند رمزنگاری TSL برای حفاظت از اطلاعات حین انتقال استفاده میکند.
آیا MQTT برای انتقال اطلاعات حجیم مناسب است؟
خیر، این پروتکل برای پیامهای کوچک و سبک طراحی شده و برای دادههای بزرگ مانند فایلهای ویدیویی مناسب نیست.
منابع
- https://mqtt.org/
- https://www.hivemq.com/mqtt/
اولین دیدگاه را اضافه کنید.