Über das "schlanke" Kommunikationsprotokoll MQTT können viele Geräte im Industrial Internet of Things drahtlos miteinander kommunizieren. (Bild: Adobe Stock / metamorworks)
Was heißt MQTT? Worum geht es dabei?
MQTT ist die Abkürzung von Message Queuing Telemetry Transport. Dahinter verbirgt sich ein offenes Netzwerkprotokoll für den Informationsaustausch zwischen Maschinen (Machine-to-Machine-Communication / M2M).
Wer hat MQTT erfunden?
Die Geschichte von MQTT hat bereits 1999 begonnen. Die Unternehmen IBM und Arcom Control Systems sollten damals ein System zur Fernüberwachung von Öl- und Gaspipelines entwickeln. Aufgrund der damals erst rudimentär ausgebauten Mobilfunkdaten-Infrastruktur sollten die Protokoll-Nachrichten so klein sein, dass eine Übertragung via Satellit möglich ist.
Die Zahl der Geräte im IoT wächst rasant
Wie funktioniert MQTT?
MQTT nutzt ein Publish/Subscribe-Modell, bei dem Geräte Nachrichten veröffentlichen (publish) und andere Geräte sie abonnieren (subscribe) können, um sie zu empfangen. Im Zentrum steht ein als Broker bezeichneter zentraler Server, der als Vermittler zwischen verschiedenen Geräten und Systemen fungiert.
Der Datentransfer erfolgt in einem sogenannten Topic, die Benamung ist ähnlich wie bei einer File-Stuktur, zum Beispiel „Smart-Factory/Fertigungslinie1/Maschine2“. MQTT verwendet einfache Text-basierte Formate wie JSON oder XML und ist daher sehr bandbreiteneffizient.
Was ist das Besondere an MQTT?
MQTT verfügt über eine Reihe von besonderen Eigenschaften, die das Protokoll sehr nützlich und leicht zu implementieren machen:
- Skalierbar: MQTT ist in der Lage, große Netzwerke mit vielen tausend Geräten zu unterstützen.
- Offline-Fähigkeit: MQTT unterstützt die Zwischenspeicherung von Nachrichten, wenn Geräte offline sind, und liefert die gespeicherten Nachrichten bei der Wiederverbindung aus.
- Erkennung: Wenn neue Geräte zum Netzwerk hinzugefügt werden, werden diese automatisch erkannt und können dort als Publisher oder Subscriber agieren.
- QoS: Für jede Client-Broker-Verbindung kann eine unterschiedliche Dienstqualität (QoS) eingestellt werden:
0 (höchstens einmal): Nachricht wird nur einmal gesendet, ohne Empfangsbestätigung.
1 (mindestens einmal): Nachricht wird mehrmals gesendet, bis eine Empfangsbestätigung erfolgt
2 (genau einmal): Nachricht wird nur einmal mit Empfangsbestätigung gesendet
Welches ist die aktuelle Version von MQTT?
Die aktuelle Version ist MQTT 5.0, die im März 2019 als OASIS-Standard veröffentlicht wurde. Diese Version bietet eine signifikante Anzahl neuer Funktionen im Vergleich zu den Vorgängerversionen und adressiert verschiedene Kritikpunkte, die in früheren Versionen bestanden:
- Verbesserte Mechanismen für die Authentifizierung und Autorisierung: Mit dem neu eingeführtem AUTH-Paket wird nun das SASL (Simple Authentication and Security Layer) Framework unterstützt.
- Erweiterbarkeit des Protokolls: Durch Spezifizierung der User Properties, also applikationsspezifischen Headern, ist das Protokoll nun deutlich besser erweiterbar. Neben den reinen Nutzdaten kann nun jede Art von Metadaten an ein MQTT-Paket angehängt werden.
- Leistungsverbesserungen für kleine Clients: Lange Topic Namen etwa führen zu einem großen Paket Overhead. Topic Aliase erlauben es, den Topic Namen durch einen zwei Byte großen Integerwert zu ersetzen. Dadurch kann Bandbreite eingespart werden.
Was ist der "letzte Wille" bei MQTT?
Der "Letzte Wille" bei MQTT ist eine spezielle Nachricht, die von einem Gerät gesendet wird, wenn es das Netzwerk unfreiwillig verlässt oder ausfällt. Diese Funktion ist wichtig, damit das Protokoll auch bei unzuverlässigen Verbindungen funktioniert.
Wie kann MQTT für die industrielle Automatisierung verwendet werden?
In der industriellen Automatisierung kann MQTT in vielen Bereichen eingesetzt werden, um die Kommunikation zwischen Geräten und Systemen zu verbessern. Hier sind einige Beispiele:
- Überwachung von Maschinen und Prozessen: Mit MQTT können Daten von Sensoren und Maschinen an Überwachungssysteme gesendet, um eine schnelle Reaktion auf mögliche Ausfälle oder Probleme zu ermöglichen. MQTT kann auch verwendet werden, um Daten von Steuerungssystemen zu sammeln und an übergeordnete Systeme zu senden, um den Produktionsprozess zu steuern und zu überwachen.
- Energieverbrauch: MQTT kann verwendet werden, um Daten von Energiemessgeräten zu sammeln und an Energiemanagementsysteme zu senden.
- Lieferkettendaten: Mit MQTT lassen sich die Daten von Lieferkettensensoren sammeln und an Systeme zu senden, um den Lieferstatus zu überwachen und zu verwalten.
Welche Nachteile hat MQTT?
Wie bei jedem Technologieprotokoll gibt es auch bei MQTT einige Nachteile und Schwächen, die beachtet werden sollten. Hier sind einige davon:
- Datenintegrität: MQTT bietet keine Integritätsprüfung der übertragenen Daten, was zu Verlust oder Fehlinterpretation von Daten führen kann.
- Datensicherheit: MQTT bietet keine integrierte Sicherheit für übertragene Daten, es ist daher wichtig, dass die Übertragung von Daten über eine gesicherte Verbindung erfolgt und dass Daten mithilfe von Verschlüsselungstechnologien geschützt werden.
- Übertragungsrate: MQTT ist für sehr hohe Übertragungsraten nicht optimiert und kann bei Anwendungen mit hohen Datenmengen langsam werden.
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Wie grenzt sich MQTT von OPC UA ab?
MQTT und OPC UA sind beides Protokolle, die in der industriellen Automatisierung zur Übertragung von Daten und Steuerung von Geräten und Systemen verwendet werden. Allerdings haben sie unterschiedliche Zwecke und Eigenschaften.
OPC UA (OPC Unified Architecture) ist ein offenes Kommunikationsprotokoll, das speziell für die industrielle Automatisierung entwickelt wurde. Es bietet eine hohe Integrität und Verfügbarkeit von Daten. OPC UA ist ein robustes Protokoll, das für den Einsatz in komplexen industriellen Umgebungen geeignet ist. Allerdings ist die Implementierung nicht trivial. Die Beschreibung des Standards umfasst mehrere Tausend Seiten.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist dagegen ein sehr "leichtgewichtiges" Protokoll, das speziell für die Übertragung von Daten in drahtlosen Netzwerken und für Anwendungen mit begrenzten Ressourcen wie kleinen Geräten entwickelt wurde. Es ist einfach zu implementieren und zu verwenden.
MQTT kommt eher aus dem IT-Bereich und wird zum Beispiel auch von vielen Cloud-Anbietern wie Azure und AWS unterstützt. Hinter OPC UA stehen große Player der Maschinenbau- und Automatisierungsbranche. Es zielt eher auf die Operational Technology (OT) in Fertigungsbetrieben.
In vielen - insbesondere komplexen - Anwendungsfällen in der Industrie kann auch eine Kombination von MQTT und OPC UA sinnvoll sein.
Der Autor: Peter Koller
Gelernter Politik-Journalist, heute News-Junkie, Robotik-Afficionado und Nerd-Versteher. Chefredakteur des Automatisierungsmagazins IEE. Peter Koller liebt den Technik-Journalismus, weil es das einzige Themengebiet ist, wo wirklich ständig neue Dinge passieren. Treibstoff: Milchschaum mit Koffein.