Интернэтэд холбогдсон төхөөрөмжүүд (IoT) олширч байгаа өнөө үед төхөөрөмжүүд хоорондоо хурдан, найдвартай, бага нөөц ашиглан харилцах шаардлага бий болсон. Энэ асуудлыг шийдэх хамгийн өргөн хэрэглэгддэг протокол бол MQTT бөгөөд түүний төв хэсэг нь MQTT Broker юм.

Энэ нийтлэлээр бид MQTT талаар танилцсан бол энэ нийтлэлээрээ MQTT Broker гэж юу болох, хэрхэн ажилладаг, ямар төрлүүд байдаг, security болон production орчинд хэрхэн ашиглагддаг талаар тайлбарлах болно.

MQTT Broker гэж юу вэ?

MQTT Broker бол MQTT системийн төв сервер юм.
Түүний үндсэн үүрэг:

• Client-уудыг холбох

• Topic-уудыг удирдах

• Publish хийсэн мессежийг Subscribe хийсэн client-ууд руу дамжуулах

• Authentication & Authorization хийх

• QoS удирдах

• Retained message хадгалах

• Last Will мессеж илгээх

MQTT-д client-ууд хоорондоо шууд холбогдохгүй. Бүх харилцаа broker-оор дамжина.

MQTT архитектур

MQTT нь Publish/Subscribe загвартай.
Жишээ: ESP32 температур хэмжинэ → Broker руу publish хийнэ → Mobile app subscribe хийсэн тул мессежийг авна.

Sensor → PUBLISH → Broker → SUBSCRIBE → Mobile App

Broker бол зуучлагч.

MQTT хэрхэн ажилладаг вэ?

1. Client broker-т CONNECT хийнэ

2. Topic дээр SUBSCRIBE хийнэ

3. Нөгөө client PUBLISH хийнэ

4. Broker мессежийг тохирох subscriber руу дамжуулна

Broker бүх мессежийг удирддаг.

MQTT-ийн үндсэн ойлголтууд

1. Topic

Topic бол мессежийн зам.
Жишээ:

• home/livingroom/temp

• factory/machine1/status

• parking/slot/12

Topic нь string бөгөөд hierarchical бүтэцтэй.

2. QoS (Quality of Service)

MQTT 3 төрлийн QoS-тэй:

• QoS 0 — At most once
  QoS 0 нь “хамгийн ихдээ нэг удаа” хүргэнэ гэсэн утгатай. Энэ түвшинд publisher мессежийг илгээснээр процесс дуусна, ямар нэгэн баталгаажуулалт (ACK) хийгдэхгүй. Хэрэв сүлжээнд алдагдвал дахин илгээхгүй. Тиймээс хурд хамгийн өндөр, нөөц бага ашигладаг боловч мессеж алдагдах магадлалтай. Ихэвчлэн температур, чийгшил зэрэг байнга шинэчлэгддэг sensor мэдээлэлд ашигладаг.

• QoS 1 — At least once
  QoS 1 нь “ядаж нэг удаа заавал хүргэнэ” гэсэн баталгаатай. Publisher мессеж илгээсний дараа broker хүлээж авснаа баталгаажуулж (PUBACK) хариу өгнө. Хэрэв энэ баталгаажуулалт ирэхгүй бол publisher мессежийг дахин илгээнэ. Иймээс мессеж алдагдахгүй ч зарим тохиолдолд давхар очиж болно. Төлөвийн өөрчлөлт, анхааруулга, хаалга нээгдсэн зэрэг чухал мэдээлэлд ихэвчлэн QoS 1 ашигладаг.

• QoS 2 — Exactly once
  QoS 2 нь “яг нэг удаа” хүргэнэ гэсэн хамгийн өндөр баталгаатай түвшин юм. Энэ нь дөрвөн шаттай баталгаажуулах процессоор ажилладаг тул мессеж алдагдахгүй, давхардахгүй. Гэхдээ хурд хамгийн удаан, сүлжээ болон серверийн нөөц илүү их ашигладаг. Санхүүгийн гүйлгээ, маш чухал удирдлагын команд зэрэг алдаа гарч болохгүй нөхцөлд хэрэглэнэ.

• IoT-д ихэнхдээ QoS 0 эсвэл 1 ашигладаг.

3. Retained Message

Broker хамгийн сүүлийн мессежийг хадгалж болно.
Шинэ subscriber холбогдоход шууд хамгийн сүүлийн утгыг авна.

4. Last Will & Testament (LWT)

Client гэнэт салбал broker автоматаар тодорхой мессеж илгээж чадна. Жишээ:

device1/status = offline

MQTT Broker-ийн үндсэн төрлүүд

1. Open Source Broker

Нээлттэй эхтэй, үнэгүй ашиглаж болдог broker-ууд.

Eclipse Mosquitto

Хамгийн түгээмэл MQTT broker.

Давуу тал

• Хөнгөн

• RAM бага хэрэглэнэ

• Суулгахад амар

• Embedded системд тохиромжтой

• Raspberry Pi дээр сайн ажилладаг

Сул тал

• Том cluster системд сул

• Enterprise feature бага

Хэрэглэхэд тохиромжтой

• Smart home

• Жижиг IoT систем

• Prototype

EMQX

Өндөр гүйцэтгэлтэй enterprise broker.

Давуу тал

• Сая сая connection дэмжинэ

• Cluster support

• High availability

• Web dashboard-той

• Rule engine-тэй

• Cloud deployment боломжтой

Хэрэглэхэд тохиромжтой

• Industrial IoT

• Smart city

• Large scale system

• Real-time analytics

HiveMQ

Enterprise түвшний broker.

Онцлог

• Java дээр суурилсан

• Cloud болон on-premise

• Enterprise security

• Extension system

• Large enterprise ашигладаг

Давуу тал

• Маш тогтвортой

• Scalability өндөр

• Professional support

VerneMQ

Distributed architecture бүхий broker.

Давуу тал

• High scalability

• Cluster support

• Fault tolerance

• Erlang дээр суурилсан

Тохиромжтой

• Telecom

• Massive IoT network

• Distributed system

2. Cloud Broker

Cloud дээр ажилладаг MQTT broker үйлчилгээ.

Жишээ:

• Amazon Web Services → AWS IoT Core

• Microsoft → Azure IoT Hub

• Google → Google Cloud IoT

• EMQX Cloud

• HiveMQ Cloud

Cloud Broker-ийн давуу тал

Auto Scaling

Хэрэглэгч нэмэгдэхэд сервер автоматаар өргөжинө.

SSL/TLS бэлэн

Security тохиргоо урьдчилан бэлэн байдаг.

Infrastructure удирдах шаардлагагүй

Server суулгах, update хийх хэрэггүй.

High Availability

Нэг server уналаа ч систем ажилласаар байна.

Global Access

Дэлхийн хаанаас ч холбогдож болно.

3. Embedded Broker

Жижиг edge төхөөрөмж дээр ажилладаг broker.

Жишээ:

• Raspberry Pi дээр Mosquitto

• Edge Gateway дээр EMQX

Embedded Broker-ийн хэрэглээ

Smart Home

Гэрийн төхөөрөмжүүдийг удирдах

Factory Edge System

Үйлдвэрийн sensor мэдээлэл боловсруулах

Offline System

Интернетгүй үед локал network дээр ажиллах

Authentication (Нэвтрэлт шалгах)

Broker нь хэрэглэгчийг таних хэрэгтэй.

Username / Password

Хамгийн энгийн authentication.

Жишээ:

username: admin
password: 123456

Token Authentication

API token ашиглана.

Certificate Authentication

TLS certificate ашиглан төхөөрөмжийг баталгаажуулна.

JWT Authentication

Modern web system-д өргөн ашиглагддаг.

Authorization (Эрхийн удирдлага)

Хэн ямар topic ашиглахыг шийднэ.

Жишээ:

User A → home/userA/#
User B → home/userB/#

Ингэснээр хэрэглэгч өөрийн мэдээлэлд л хандана.

TLS/SSL Security

MQTT secure холболт ашиглаж болно.

Secure MQTT: mqtts://

Secure Port: 8883

TLS ашигласнаар:

• Data encryption

• Password хамгаалалт

• Man-in-the-middle attack хамгаалалт

боломжтой болдог.

MQTT Port-ууд

PortТайлбар1883Plain MQTT8883MQTT over TLS9001MQTT over WebSocket8083Secure WebSocket

Broker Clustering гэж юу вэ?

Cluster гэдэг нь олон broker хамтран ажиллах систем юм.

Жишээ:

Broker 1
Broker 2
Broker 3

Эдгээр broker-ууд хоорондоо synchronization хийдэг.

Cluster-ийн давуу тал

Load Balancing

Ачааллыг хуваарилна.

High Availability

Нэг broker уналаа ч system ажиллана.

Failover

Алдаа гарвал өөр broker ажил үргэлжлүүлнэ.

Дүгнэлт

MQTT Broker бол IoT системийн хамгийн чухал хэсэг юм.

Түүний үндсэн үүрэг:

• Төхөөрөмжүүдийг холбох

• Message дамжуулах

• Real-time communication хийх

• Security хангах

• Load balancing хийх

• System scaling боломж олгох

Өнөө үед smart home, үйлдвэр, cloud system, real-time monitoring зэрэг бараг бүх IoT систем MQTT broker ашиглаж байна.