イラストで理解するMQTT

IoT関連の技術にMQTTというプロトコルが存在します。今回はIoT初心者の私がMQTTについて知識0の状態から学んだことを記事にします。

#MQTT

#IoT

よなみね

2023.12.04

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はじめに

皆さんはMQTTというプロトコルを聞いたことがありますか？
私はありませんでした。

MQTTは主にIoTの分野で使用されるプロトコルです。
なぜIoTではこのMQTTが使われているのか？何がいいのか？
図を用いて学習したことを記事にしていきたいと思います。

IoTの通信に必要なこと

MQTTを知る前に、まずはIoTデバイスに必要な環境を想像してみましょう。
IoTといえば最近では家電のIoT化など、身近にIoT製品が増えてきました。

しかし、IoTデバイスが設置されるのはそんな優しい環境だけではありません。
工場や室外など、過酷な環境に設置されるIoTデバイスもたくさんあります。

ネットワーク環境も必ずしもいいとは限りません。
低帯域のネットワークや、不安定なネットワークもあります。
IoTデバイスは直接電源を供給できないケースもあります、そういったデバイスは低電力で動作する必要があります。

IoTデバイスは数が非常に多いです、時には数千個のデバイスに対応する必要があります。
また、それぞれのデバイスとセキュアに通信する必要もあります。

IoTの通信では、こんなにたくさんの要望を満たす必要があります。
そして、それができるプロトコルが今回紹介するMQTTです。

用語

ではMQTTのすごいところを説明する前に、まずはMQTTを学ぶ際に出てくる用語を紹介します。
まずは全体像です。

では、一つずつ見ていきましょう。

MQTTクライアント

MQTTクライアントはMQTTを使用してメッセージを送受信するものを表します。
メッセージを送信するデバイス, メッセージを受け取って表示するアプリケーション、送信側も受信側もMQTTクライアントです。

ブローカー

ブローカーは受け取ったメッセージを適切なMQTTクライアントに渡す仲介役です。
このブローカーを挟んで、送信側、受信側が疎結合な状態で通信を行う方式をパブリッシュ/サブスクライブ(Pub/Sub)と言います。

ブローカーはデバイスではなくソフトウェアで、受信したメッセージを適切な受信者にルーティングします。
OSSのMQTTブローカーもあります。

パブリッシュ/サブスクライブ

MQTTクライアントがメッセージを送信することをパブリッシュと言います。
そして、メッセージをパブリッシュするやつをパブリッシャーと言います。

逆にMQTTクライアントがメッセージを受け取ることをサブスクライブと言います。
そして、メッセージをサブスクライブするやつをサブスクライバーと言います。
え、ややこしい。ということで図にするとこんな感じです。

MQTTクライアントはメッセージを送受信するコンポーネント全体を指します。
パブリッシャーとサブスクライバーは、メッセージの送信者、受信者を指します。

トピック

パブリッシャーはブローカーにメッセージを送る際、何に関するメッセージかを知らせる必要があります。
それがトピックです。

トピックは受け取ったメッセージを入れる箱のようなものです。

トピックには「家/温度計/温度計の番号」というように"/"で区切られた階層構造の目印がついています。
実際の表記だとこんな感じになると思います。

myhome/temperature/livingroom

各階層には"+"や"#"といったワイルドカードを使用することもできます。
「家/温度計/+」とすることで、家の全ての温度計トピックからデータを取得することができます。

このトピックをサブスクライバーはサブスクライブ(定期購読)します。
ブローカーはどのサブスクライバーがどのトピックに紐づいているかを整理して、転送しているだけです。
あくまでもどのメッセージを取得するかはサブスクライバー側が選択します。

MQTTのここがすごい

では、用語も分ってきたのでMQTTは何がすごいのか、一つずつ見ていきましょう。

低帯域での通信

MQTTはシンプルなデータ構造をしており、ヘッダーは必要最小限のみとなっています。
そのため低帯域でも通信が可能です。

MQTTは通信に必要な接続を可能な限り維持します。
HTTPのように通信の度にコネクションを作る必要も、ヘッダーに宛先のメタデータを付ける必要もありません。

低電力

また、データサイズが小さいということはコンピュータの処理量が少ないということになります。
そして、処理が少ないということはCPUなどのリソースは少ない動作で済みます。
つまり低電力で動作するということになります。

信頼性

MQTTはデータの送信側、受信側、その仲介と3つのフェーズに分かれています。
それぞれの通信でQoS(Quality of Service)レベルという規格が定められており、データの損失リスクを下げるような仕組みがあります。

QoSは0~2までのレベルがあります。

QoSレベル0
最大1回のメッセージが送信されます。
1回はメッセージが送信されますが、到達することは保証されていません。
そのためデータが損失しても大きな問題が起きないような場合に利用されます。

温度センサーのように変化の少ない連続したメッセージに使用されることが多いようです。

QoSレベル1
最低1回のメッセージが到達することが保証されます。
送信者が送信したメッセージは受信者に届き、受信者はメッセージが届いたことを送信者に通知します。
これによりメッセージが到達することが保証されます。

ただし、メッセージが重複する可能性があります。
受信者が受け取ったというメッセージが送信者に届かなかった場合、送信者は再度メッセージを送ります。
この場合はメッセージの重複が発生します。

IoT家電のように、重複してもいいから1回はメッセージが届いてくれればそれでいい。というようなケースで使用されることが多いようです。

QoSレベル2
正確に1回メッセージが到達することが保証されます。
メッセージの重複や損失が発生しないように2回のやり取りを行う仕組みです。

1回目のやりとり
送信側はメッセージを送信します。
また、この時送信するメッセージを一時的に保存します。
受信側はメッセージを受け取り一時保存します。そしてメッセージを受け取ったことを通知します。
送信側はメッセージを受け取り、メッセージが届いたことが確認できると一時保存したメッセージを破棄します。