MQTT là viết tắt của Message Queuing Telemetry Transport, là một giao thức phổ biến trong Internet of Things (IoT) cho phép các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu một cách hiệu quả. Với nguyên lý hoạt động đơn giản của mô hình xuất bản/đăng ký, MQTT giúp tối ưu hóa việc giao tiếp, tăng tính linh hoạt và đảm bảo sự tin cậy của hệ thống IoT.
Hãy cùng Mstarcorp khám phá sâu hơn về MQTT để hiểu tại sao nó trở thành trọng tâm không thể thiếu trong sự phát triển của công nghệ ngày nay!
MQTT là gì?
MQTT là một giao thức nhắn tin tiêu chuẩn được sử dụng cho giao tiếp máy tính với máy tính. Các thiết bị như cảm biến thông minh, thiết bị đeo trên người và các thiết bị Internet vạn vật (IoT) thường phải truyền và nhận dữ liệu qua mạng có tài nguyên và băng thông hạn chế.
Giao thức MQTT được ưa chuộng trong các ứng dụng IoT vì tính đơn giản trong triển khai và khả năng giao tiếp dữ liệu một cách hiệu quả giữa các thiết bị và đám mây.
MQTT được ưa chuộng trong các môi trường như:
- Những nơi mạng viễn thông đắt đỏ hoặc băng thông thấp, hoặc không đáng tin cậy.
- Các thiết bị nhúng có tài nguyên hạn chế về tốc độ và bộ nhớ.
- Vì giao thức này sử dụng băng thông thấp và hoạt động tốt trong môi trường có độ trễ cao, nó là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine to Machine).
Ngoài ra, MQTT cũng là giao thức được sử dụng trong ứng dụng Facebook Messenger.
Những tính năng chính của MQTT
Giao thức MQTT dựa trên mô hình Pub/Sub, cung cấp phương thức truyền tin phân tán một chiều, hoàn toàn độc lập với phần ứng dụng. Các tin nhắn được truyền ngay lập tức mà không cần quan tâm đến nội dung của chúng. Giao thức sử dụng TCP/IP làm nền tảng. Giao thức hỗ trợ ba mức độ tin cậy (QoS – Quality of Service) cho việc truyền dữ liệu:
- QoS 0: Broker/client gửi dữ liệu đúng một lần và chỉ sử dụng giao thức TCP/IP để xác nhận.
- QoS 1: Broker/client gửi dữ liệu và yêu cầu ít nhất một lần xác nhận từ phía nhận, có thể nhận nhiều hơn một lần xác nhận.
- QoS 2: Broker/client đảm bảo rằng dữ liệu được nhận đúng một lần duy nhất, và quá trình này yêu cầu bốn bước bắt tay. Gói tin dữ liệu được đóng gói nhỏ và được tối ưu hóa để giảm tải cho đường truyền.
Giao thức MQTT ra đời như thế nào?
Giao thức MQTT được phát minh vào năm 1999 để áp dụng trong ngành dầu khí, nhằm giám sát các đường ống dầu qua vệ tinh với yêu cầu băng thông thấp và tiết kiệm pin. Ban đầu, giao thức được gọi là MQ Telemetry Transport do sự hỗ trợ từ dòng sản phẩm MQ của IBM. Năm 2010, MQTT 3.1 được IBM phát hành như một giao thức mở và miễn phí cho mọi người triển khai.
Vào năm 2013, giao thức này đã được đưa lên tổ chức OASIS (Tổ chức vì sự tiến bộ của các tiêu chuẩn thông tin có cấu trúc) để duy trì và phát triển. Năm 2019, OASIS đã phát hành phiên bản nâng cấp MQTT 5. Ngày nay, MQTT không chỉ còn là từ viết tắt mà đã trở thành tên chính thức của giao thức này.
Nguyên lý hoạt động của MQTT
Giao thức MQTT hoạt động trên mô hình xuất bản/đăng ký, khác với quá trình giao tiếp truyền thống giữa máy khách và máy chủ. Trong giao tiếp truyền thống, máy khách yêu cầu tài nguyên hoặc dữ liệu từ máy chủ và sau đó nhận phản hồi từ máy chủ.
Trong khi đó, MQTT sử dụng mô hình xuất bản/đăng ký để phân tách bên gửi thông điệp (Publisher) và bên nhận thông điệp (Subscriber). Một thành phần trung gian gọi là trình truyền tải thông điệp giữ vai trò phân phối thông điệp từ Publisher đến Subscriber một cách chính xác.
Trình truyền tải thông điệp phân tách Publisher và Subscriber như sau:
- Phân tách không gian: Publisher và Subscriber không cần biết vị trí cụ thể của nhau trong mạng và không trao đổi thông tin như địa chỉ IP và số cổng.
- Phân tách thời gian: Publisher và Subscriber không cần phải có kết nối mạng hoặc hoạt động tại cùng một thời điểm.
- Phân tách quá trình đồng bộ: Cả Publisher và Subscriber có thể gửi và nhận thông điệp mà không làm gián đoạn hoạt động của bên kia. Ví dụ, Subscriber không cần phải chờ Publisher hoàn thành việc gửi thông điệp mới.
Lý do MQTT là giao thức tốt nhất cho IoT?
MQTT đã trở thành một trong những giao thức IoT hàng đầu nhờ vào các tính năng đặc biệt và khả năng điều chỉnh phù hợp với nhu cầu cụ thể của các hệ thống IoT. Các lý do chính bao gồm:
- Nhẹ nhàng: Các thiết bị IoT thường bị hạn chế về sức mạnh xử lý, bộ nhớ và tiêu thụ năng lượng. MQTT với độ tải tối thiểu và kích thước gói tin nhỏ làm cho nó lý tưởng cho các thiết bị này.
- Đáng tin cậy: Mạng IoT thường gặp độ trễ cao và kết nối không ổn định. MQTT hỗ trợ các cấp độ QoS khác nhau, hiểu biết về phiên và kết nối lâu dài, đảm bảo việc gửi và nhận thông điệp đáng tin cậy ngay cả trong các điều kiện khó khăn, phù hợp cho các ứng dụng IoT.
- Bảo mật: An ninh là yếu tố cực kỳ quan trọng trong các mạng IoT do chúng thường chuyển tải dữ liệu nhạy cảm. MQTT hỗ trợ mã hóa Transport Layer Security (TLS) và Secure Sockets Layer (SSL), bảo vệ tính bí mật của dữ liệu trong quá trình truyền. Ngoài ra, giao thức cung cấp các cơ chế xác thực và ủy quyền thông qua tên người dùng/mật khẩu hoặc chứng chỉ khách hàng.
- Đa chiều: Mô hình xuất bản/đăng ký của MQTT cho phép giao tiếp đa chiều liền mạch giữa các thiết bị. Các máy khách có thể xuất bản thông điệp lên các chủ đề và đồng thời đăng ký nhận các thông điệp trên các chủ đề cụ thể, cho phép trao đổi dữ liệu hiệu quả.
- Phiên liên tục và theo dõi trạng thái: MQTT cho phép các máy khách duy trì phiên liên tục với trình trung gian (broker), giúp hệ thống nhớ các đăng ký và các thông điệp chưa gửi khi bị ngắt kết nối. Các máy khách cũng có thể chỉ định khoảng thời gian giữ kết nối (keep-alive interval) để thông báo cho trình trung gian kiểm tra định kỳ tình trạng kết nối.
- Hỗ trợ đa dạng thiết bị IoT quy mô lớn: Các hệ thống IoT thường bao gồm nhiều thiết bị, đòi hỏi một giao thức có thể xử lý triển khai quy mô lớn. Tính nhẹ nhàng, tiêu thụ băng thông thấp và sử dụng tài nguyên hiệu quả của MQTT làm cho nó phù hợp với các ứng dụng IoT quy mô lớn.
- Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ: Hệ thống IoT thường bao gồm các thiết bị và ứng dụng được phát triển bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau. Việc hỗ trợ rộng rãi của MQTT cho các ngôn ngữ lập trình khác nhau giúp dễ dàng tích hợp với nhiều nền tảng và công nghệ.
Lợi ích của MQTT
Giao thức MQTT cung cấp khả năng truy cập dữ liệu IIoT cho hệ thống SCADA của bạn, đồng thời mang đến nhiều lợi ích quan trọng như:
- Truyền thông tin hiệu quả hơn
- Tăng khả năng mở rộng
- Giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng
- Giảm tốc độ cập nhật xuống đến mức giây
- Phù hợp cho điều khiển và giám sát
- Tối đa hóa sử dụng băng thông có sẵn
- Chi phí thấp
- Đảm bảo bảo mật cao dựa trên cơ chế cho phép
- Được sử dụng rộng rãi bởi ngành công nghiệp dầu khí, Amazon,
- Facebook và các doanh nghiệp lớn khác
- Tiết kiệm thời gian phát triển
- Mô hình publish/subscribe thu thập nhiều dữ liệu hơn với ít băng thông hơn so với các giao thức truyền thống
Mô hình Pub/Sub và nguyên lý hoạt động của MQTT
Mô hình Pub/Sub
Mô hình Publish/Subscribe (Pub/Sub) bao gồm các thành phần chính sau đây:
1. Broker:
- Là máy chủ trung gian trong hệ thống, là điểm giao của các kết nối từ các Client (Publisher/Subscriber).
- Chức năng chính của Broker là nhận các thông điệp từ các Publisher, xử lý và chuyển tiếp đến các Subscriber theo định tuyến đã được thiết lập.
- Ngoài ra, Broker có thể thực hiện các tính năng bổ sung như bảo mật thông điệp, lưu trữ, ghi log, …
2. Client:
- Là các thành phần tham gia vào hệ thống MQTT, được chia thành hai nhóm chính: Publisher và Subscriber.
- Publisher: Các Client này gửi các thông điệp (message) lên một hoặc nhiều topic cụ thể.
- Subscriber: Các Client này đăng ký subscribe (nhận) các thông điệp từ các topic cụ thể.
- MQTT Clients có khả năng hoạt động trên đa nền tảng hệ điều hành như macOS, Windows, Linux, Android, iOS, …
Mô hình này cho phép các thiết bị trong hệ thống IoT hoạt động độc lập và hiệu quả, với Broker đóng vai trò trung tâm quản lý và phân phối thông điệp giữa Publisher và Subscriber.
Cơ chế hoạt động của MQTT theo mô hình Pub/Sub
MQTT hoạt động dựa trên mô hình client/server, trong đó mỗi cảm biến hoạt động như một khách hàng (client) kết nối đến một máy chủ, gọi là Broker, thông qua giao thức TCP (Transmission Control Protocol). Broker có trách nhiệm điều phối và chuyển tiếp các thông điệp giữa phía gửi và phía nhận.
MQTT là một giao thức hướng tin nhắn (message-oriented). Mỗi tin nhắn là một đoạn thông tin độc lập và Broker không quan tâm đến nội dung của tin nhắn. Mỗi tin nhắn được gửi tới một địa chỉ được gọi là Topic (kênh). Client đăng ký (subscribe) vào các Topic để nhận hoặc gửi dữ liệu. Một Client có thể đăng ký vào nhiều Topic. Khi một Client gửi một tin nhắn tới một Topic, điều này được gọi là publish.
MQTT qua WSS là gì?
MQTT qua WebSockets (WSS) là một cách triển khai của MQTT để cho phép nhận dữ liệu trực tiếp vào trình duyệt web. Để hỗ trợ WSS cho các trình duyệt, giao thức MQTT định nghĩa một phiên bản JavaScript cho phép kết nối WSS.
Trong quá trình này, MQTT vẫn hoạt động như bình thường nhưng bổ sung thêm các tiêu đề vào các thông điệp MQTT để hỗ trợ giao thức WSS. Quá trình này có thể được xem như là các thông điệp MQTT được bao bọc trong phong bì WSS.
MQTT liệu có bảo mật?
Giao tiếp MQTT sử dụng giao thức SSL để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm được truyền bởi các thiết bị IoT. Để đảm bảo tính bảo mật, bạn có thể triển khai xác thực và ủy quyền giữa máy khách và trình truyền tải MQTT bằng cách sử dụng chứng chỉ SSL và/hoặc mật khẩu.
Trình truyền tải MQTT thường xác thực máy khách bằng cách sử dụng mật khẩu của họ cùng với các mã định danh máy khách duy nhất mà trình truyền tải phân phối cho từng máy khách. Trong hầu hết các triển khai, máy khách cũng xác thực máy chủ bằng chứng chỉ hoặc thông qua tra cứu DNS. Ngoài ra, bạn có thể triển khai các giao thức mã hóa khác nhau khi sử dụng MQTT.
Kết luận
Tóm lại, MQTT là một giao thức nhẹ được thiết kế chủ yếu để kết nối các thiết bị có tài nguyên hạn chế trên các mạng có băng thông thấp. Mặc dù đã tồn tại hơn một thập kỷ, nhưng chỉ khi M2M (Máy đến Máy) và Internet of Things (IoT) xuất hiện, MQTT mới trở thành một giao thức phổ biến.
