📘[IoT] MQTT란?

[aws] MQTT란?

MQTT는 머신 대 머신 통신에 사용되는 표준 기반 메시징 프로토콜 또는 규칙 세트이다.

스마트 센서, 웨어러블 및 기타 사물 인터넷(IoT) 디바이스는 일반적으로 리소스 제약이 있는 네트워크를 통해 제한된 대역폭으로 데이터를 전송하고 수신해야 한다.

이러한 IoT 디바이스는 MQTT를 데이터 전송에 사용하는데, 구현이 쉽고 IoT 데이터를 효율적으로 전달할 수 있기 때문이다.

MQTT는 디바이스에서 클라우드로, 클라우드에서 디바이스로의 메시징을 지원한다.

즉, MQTT는 발행/구독(Publish/Subscribe) 기반의 메시지 송수신 프로토콜.

MQTT 프로토콜이 중요한 이유?

가볍고 효율적

MQTT를 IoT 디바이스에 구현할 때는 최소한의 리소스가 필요하다.

따라서 작은 마이크로컨트롤러에도 사용될 수 있다.

예시로, MQTT 제어 메시지는 2바이트만큼 작기 때문에 MQTT 메시지 헤더도 작아, 네트워크 대역폭을 최적화할 수 있다.

확장성

MQTT구현에는 최소량의 코드가 필요하며, 작업 시 아주 작은 전력만 소비한다.

또한 많은 수의 IoT 디바이스와의 통신을 지원하기 위한 기본적인 기능을 갖추고 있다.

신뢰성

많은 IoT 디바이스는 대역폭은 낮고 지연 시간은 긴 신뢰할 수 없는 셀룰러 네트워크를 통해 연결한다.

MQTT에는 IoT 디바이스에서 클라우드에 다시 연결하는 데 소요되는 시간을 줄여주는 기능이 기본적으로 탑재되어 있다..!

또한 최대 1회(0), 최소 1회(1) 및 정확히 1회(2)라는 3가지 서비스 품질 수준을 정의하여 IoT 사용 사례에 필요한 신뢰성을 보장한다.

• 0: 최대 1회 전송
  • Topic을 통해 메시지를 전송할 뿐 보장하지는 않음 (보낸 다음 잊어버림)
• 1: 최소 1회 전송
  • 구독하는 클라이언트가 메시지를 받았는지 불확실하면 정해진 횟수만큼 재전송함
  • 메시지의 핸드셰이킹 과정을 엄밀하게 추적하지는 않아, 중복의 위험이 있음 (확인 응답을 거치는 전달임)
• 2: 정확히 1회 전송
  • 구독하는 클라이언트가 요구된 메시지를 정확히 한 번 수신할 수 있도록 보장함 (보장된 전달)
  • TCP/IP 데이터 전송의 처리에 영향을 주지 않고, MQTT 송수신자 간에만 사용됨
  • 메시지는 글자 수 제한이 없어 긴 메시지 혹은 JSON , 파일도 전송이 가능함
  • 0에 가까울 수록 메시지 처리에 대한 부하가 줄어들고, 손실의 위험이 높아짐
  • 2에 가까울 수록 메시지 손실 위험은 줄어들지만, 메시지 처리 부하가 급격히 높아짐
  • 0 ~ 1 정도의 QoS를 사용하며 메시지 손실의 위험은 상위 애플리케이션 차원에서 관리하는 방법이 널리 쓰이는 중임

❓ Topic
메시지를 발행-구독하는 행위는 채널 단위로 일어나는데, 이를 토픽이라고 한다.
토픽은 / 로 구분되는 계층 구조를 갖는다.
단, 최상위 토픽은 /로 시작하면 안되며, 토픽의 이름에는 공백이 없는 아스키코드여야 한다.

보안

개발자는 MQTT를 사용하면 메시지를 손쉽게 암호화하고 OAuth, TLS1.3, 고객 관리형 인증서 및 기타 최신 인증 프로토콜을 사용하여 디바이스와 사용자를 인증할 수 있다.

우수한 지원

Python과 같은 다수의 언어가 MQTT 프로토콜 구현을 광범위하게 지원한다.

따라서 개발자는 모든 유형의 애플리케이션에서 최소한의 코드 작업으로 빠르게 이 프로토콜을 구현할 수 있다.

MQTT의 원리?

MQTT 프로토콜은 게시/구독 모델의 원칙을 기반으로 작동한다.

전통적인 네트워크 통신에서는 클라이언트와 서버가 서로 직접 통신하는데, 클라이언트가 서버의 리소스 또는 데이터를 요청하면 서버가 이를 처리한 후 응답을 다시 보낸다.

하지만 MQTT는 게시/구독 패턴을 사용하여 메시지 발신자(게시자)와 메시지 수신자(구독자) 를 분리한다.

대신 메시지 브로커가 게시자와 구독자 간의 통신을 처리한다.

메시지 브로커는 게시자로부터 수신되는 모든 메시지를 필터링하고, 구독자에게 직접 배포하는 것이다.

브로커는 게시자와 구독자를 어떻게 분리할까?

공간 분리

게시자와 구독자는 서로의 네트워크 위치를 모르며, IP 주소 또는 포트 번호와 같은 정보를 교환하지 않는다.

시간 분리

게시자와 구독자는 동시에 실행되거나 네트워크를 통해 연결되지 않는다.

동기화 분리

게시자와 구독자는 서로를 중단시키지 않고 메시지를 전송하거나 수신할 수 있다. (구독자는 게시자의 발신을 기다릴 필요 없음)

MQTT의 구성 요소

MQTT는 아래와 같이 클라이언트와 브로커를 정의하여 게시/구독 모델을 구현한다.

MQTT 클라이언트

MQTT 클라이언트는 서버로부터 MQTT 라이브러리를 실행하는 마이크로컨트롤러에 이르는 모든 디바이스가 될 수 있다.

클라이언트는 메시지를 보내는 경우 게시자 역할을, 메시지를 수신하는 경우 수신자 역할을 한다.

기본적으로 네트워크를 통해 MQTT를 사용하여 통신하는 모든 디바이스를 MQTT 클라이언트 디바이스라고 할 수 있다.

MQTT 브로커

MQTT 브로커는 여러 클라이언트 간의 메시지를 조정하는 백엔드 시스템이다.

브로커는 메시지 수신 및 필터링, 각 메시지를 구독하는 클라이언트 식별, 메시지 전송 등과 같은 작업을 담당한다.

다음과 같은 태스크 또한 처리한다.

• MQTT 클라이언트 권한 부여 및 인증
• 추가 분석을 위해 다른 시스템으로 메시지 전달
• 누락된 메시지 및 클라이언트 세션 처리

MQTT 연결

클라이언트와 브로커는 MQTT 연결을 사용하여 통신을 시작한다.

클라이언트는 CONNECT 메시지를 **MQTT 브로커로 보내 연결을 시작한다.

브로커는 CONNACK 메시지로 응답하여 연결이 설정되었음을 확인한다.

MQTT 클라이언트와 브로커는 모두 TCP/IP 스택이 있어야 통신할 수 있다.

또한, 클라이언트는 서로 연결되지 않으며 브로커에만 연결한다.

MQTT는 어떤 방식으로 작동할까?

다음은 MQTT의 작동 방식에 대한 개요이다.

• MQTT 클라이언트가 MQTT 브로커와의 연결을 설정함
• 연결되면 클라이언트에서 메시지를 게시하거나 특정 메시지를 구독하거나 둘 다 수행 가능
• MQTT 브로커는 메시지를 수신한 후 메시지에 관심이 있는 구독자에게 메시지를 전달함

MQTT 주제

주제 는 MQTT 브로커가 MQTT 클라이언트를 위한 메시지를 필터링할 때 사용하는 키워드이다.

주제는 파일 또는 폴더 디렉터리와 유사한 계층 구조로 정렬된다.

MQTT 게시

MQTT 클라이언트는 주제 및 데이터가 바이트 형식으로 포함된 메시지를 게시한다.

클라이언트는 텍스트 데이터, 바이너리 데이터, XML 또는 JSON 과 같은 데이터 형식을 결정한다.

MQTT 구독

MQTT 클라이언트는 MQTT 브로커에 SUBSCRIBE 메시지를 보내 관심 주제에 대한 메시지를 수신한다.

이 메시지에는 구독의 고유 식별자와 목록이 포함된다.

MQTT over WSS 란?

MQTT over WebSockers(WSS)란 데이터를 웹 브라우저로 직접 수신하는 MQTT 구현이다.

이 MQTT 프로토콜은 JavaScript 클라이언트를 정의하여 브라우저에 대한 WSS 지원을 제공한다.

이 경우 프로토콜은 평상시와 같이 작동하지만, MQTT 메시지에 추가 헤더를 삽입하여 WSS 프로토콜도 지원한다.

MQTT 페이로드가 WSS 봉투로 포장되었다고 생각하면 된다.

MQTT 는 안전한가?

MQTT 통신은 SSL 프로토콜을 사용하여 IoT 디바이스에서 전송되는 민감한 데이터를 보호한다.

SSL 인증서와 암호를 사용하여 클라이언트와 브로커 간에 ID, 인증 및 권한 부여 를 구현할 수 있다.

어떻게 클라이언트를 인증할까?

• 클라이언트 인증
  • MQTT 브로커는 일반적으로 암호와 각 클라이언트에 할당되는 고유 클라이언트 식별자를 사용하여 클라이언트를 인증한다.
• 서버 인증
  • 대부분의 구현에서 클라이언트 인증서 또는 DNS 조회를 통해 서버를 인증한다.

MQTT는 RESTful인가?

MQTT는 RESTful이 아니다!

• REST
  • 네트워크 통신에 대한 아키텍처 접근 방식으로, 메시지 발신자와 수신자 간의 요청-응답 패턴 통신을 사용한다.
• MQTT
  • 애플리케이션 계층에서 게시/구독 모델 통신을 사용한다.
  • 메시지를 푸시 방식으로 전송하기 위한 고정된 TCP 연결이 필요하다.
  • MQTT ver.5는 REST와 유사한 방식으로 작용하는 새로운 요청/응답 메서드를 추가한다,
    • 여기서 게시자는 특수한 응답 주제를 첨부할 수 있고, 수신자는 이를 처리하여 적절한 응답을 생성한다.

결론

MQTT 는 국제 표준화 된 게시-구독(Publish-Subscribe) 기반의 메시지 송수신 프로토콜이다.

작은 코드 공간이 필요하거나 네트워크 대역폭이 제한되는 원격 통신 또는 IoT와 같이 제한적이거나 대규모 트래픽 전송의 경우를 위한 프로토콜인 것이다.

TCP/IP 프로토콜 위에서 동작하지만, 동시에 굉장히 가벼우며, 많은 통신 제약들을 해결해준다.

하지만, 메시지가 가벼운 만큼 메시지 유형이나 QoS(서비스 품질)에는 제약이 생길 수 있다.

참고 자료

MQTT란 무엇인가요? - MQTT 프로토콜 설명 - AWS

[통신 이론] MQTT, MQTT Protocol (MQTT 프로토콜) 이란? - 1 (이론편)