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IoT bases: Introducción a MQTT

En este post vamos a comenzar a hablar sobre uno de los protocolos más utilizados para IoT, MQTT y conocer sus principales características, por qué es interesante para IoT, qué aporta, y cómo funciona.

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¿Qué es MQTT?

MQTT son las siglas de Message Queuing Telemetry Transport, es un protocolo pensado para telemetría, algunas cosas para remarcar:

  • Funciona sobre TCP.
  • Existen variantes sobre UDP y Bluetooth (por supuesto, con otras características de transporte).
  • Utiliza el patrón Publish/Suscribe.
  • Hace muy simple la comunicación entre múltiples dispositivos.
  • Diseñado para dispositivos pequeños y de bajo consumo de energía y ancho de banda.
  • Bidireccional.

Pubish/Suscribe

Bien, vamos por lo primero, decimos que MQTT es Publish/Suscriber, esto tiene varias implicaciones:

  • Si queremos recibir un mensaje tenemos que suscribirnos a un “tema”.
  • Si queremos publicar un mensaje lo hacemos a un “tema”.
  • No podemos enviar un mensaje directamente a otro cliente.
  • No podemos saber quién nos ha enviado un mensaje.
  • Si hay muchos dispositivos suscritos a un “tema” recibirán todos el mismo mensaje.
  • Si estamos suscritos a un “tema” recibimos todos los mensajes publicados por cualquier cliente a ese “tema”.

Por ejemplo, podemos suscribirnos al tema “casa” y cada vez que algún cliente publique un mensaje en ese tema lo recibiremos; del mismo modo, siempre que enviemos un mensaje tendremos que indicar el “tema” y este mensaje será recibido por todos los suscriptores (y nosotros no sabremos quiénes son).

Una de las ventajas de este modelo es que mucha responsabilidad no la gestionan los clientes y esto hace que sea simple desde el punto de vista del dispositivo.

El corazón de MQTT, el Broker.

Una cosa importante de señalar es cómo nos conectamos, como nos suscribimos y cómo publicamos; bien, los clientes MQTT nunca se conectan entre sí sino que se conectar a un Broker, que no es más que un intermediario que se encarga de conocer a todos los clientes y repartir los mensajes según las suscripciones. Hace algunas cosas más que iremos viendo.

Entonces, el Broker no es más que una aplicación que tiene que estar instalada y funcionando todo el tiempo, muchas de las ventajas de MQTT relacionadas con el bajo consumo de recursos tienen que ver con que el Broker es responsable de muchas cosas, y es donde reside la mayor parte de la complejidad del protocolo.

El diagrama de funcionamiento seria éste:

 

By Simon A. Eugster - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=70622928

Como vemos en el diagrama, el Client A se conecta al Broker y luego se suscribe al "tema” (Topic) temperature/roof, al lado derecho vemos el Client B que ya se encontraba conectado y publicó un mensaje sobre el mismo Topic, por lo tanto el Broker a ver que Client A se suscribe al Topic le entrega el mensaje. Más adelante Client A publica sobre el mismo Topic la temperatura actual (20º), recibe otro mensaje del Broker (30º), responde lo mismo y se desconecta.

Este diagrama podría perfectamente el funcionamiento de un termostado de una casa que recibe la configuración de temperatura de alguien más.

Nótese que el primer mensaje publicado por Client B dice “retain” esto es un flag especial que hace que ese mensaje quede retenido de modo que todos los nuevos suscriptores lo reciban ni bien se conectan el Topic, esto es especialmente útil cuando los clientes solo se conectan cuando necesitan interactuar con el Broker y de este modo ahorrar energía.

Topics

Los “temas” que nombramos antes se llaman Topics y se organiza en niveles, del siguiente modo:

sport/tennis/player1

De este modo podemos organizar los mensajes, ya que tenemos la posibilidad de suscribirnos a un Topic o a diferentes niveles gracias a los willcards, por ejemplo:

sport/# suscribe a todos los niveles debajo de sport

sport/#/ranking suscribe a todos los ranking de todos los deportes

por otro lado el + permite usar un willcard de un único nivel

sport/tennis/+/ranking suscribe a todos los rankings, es decir el + solo reemplaza un nivel

Hay mucho más detalles al respecto en la especificación.

Calidad de servicio QoS

Existen 3 niveles de calidad en MQTT 0,1 y 2.

Estos niveles determinan con que rigurosidad el Broker debe asegurarse que los mensajes han sido entregados correctamente.

  • 0: Se envían el mensaje y no se espera ninguna verificación (fire en forget).
  • 1: Se espera al menos un ACK de cada clientes que debe recibir el mensaje (si el cliente tarda en responder es posible que se envíe dos veces el mismo mensaje).
  • 2: Se garantiza que cada cliente recibe el mensaje una única vez.

Evidentemente a medida que subimos la calidad los mensajes son más costosos a nivel recursos de energía y tiempo, mayormente se usa el nivel 0 o 1, de hecho muchos Brokers y clientes no implementan el nivel 2.

El nivel de calidad se puede definir al conectarse al Broker (el cliente decide qué nivel de validad quiere) o en cada mensaje enviando (quien envía decide el nivel)

Retención de mensaje (retain message)

Como vimos en el diagrama, esto no es más que un flag que hace que un mensaje en particular (podemos agregarlo en todos, en tal caso siempre se considera el último mensaje por Topic) sea retenido por el Broker de modo de que al suscribirse un nuevo cliente el Topic reciba este mensaje como primer mensaje, esto es muy útil para valores por defecto y cosas o cuando quien publica mensaje lo hace cada cierto tiempo, entonces el mensaje queda ahí y todo el que se conecte al Topic lo recibirá por más que quien generó el mensaje no se encuentre operativo.

Sesiones

Lo último de lo que vamos a hablar es de sesiones, es otra característica avanzada y básicamente hace que el Broker le asigne un número de sesión a cada clente (que se conecte, independientemente de si se suscribe a un Topic) y recuerde este identificador de sesión, de modo que si el cliente se desconecta (otra vez, porque se apaga para ahorrar energía o ocurre algo) pueda informar su sesión y el Broker continue por donde quedó. Otra vez, no todos los Broker y clientes lo implementan.

En la próxima entrada vamos a ver qué software podemos usar para hacer las primeras pruebas con MQTT.

Nos leemos.

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