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Network Protocol

MQTT Protocol

aqwerf 2016.10.14 05:23

MQTT(Message Queue Telemetry Transport)는 IOT 기기간의 통신을 위한 프로토콜이다. 

MQTT 이외에도 IOT용으로 CoAP(Constrained Application Protocol), AMQP(Advanced Message Queuing Protocol), XMPP(eXtensible Messaging and Presence Protocol), DDS(Data Distribution Service), Stomp(Simple Text Orientated Messaging Protocol) 등의 다양한 프로토콜이 있고, 각각의 프로토콜은 활용 용도에 따라서 장단점을 가지고 있다. 


여기에서는 MQTT의 특징에 대해서 정리하기로 한다. 


1. MQTT의 특징 


- TCP 기반 프로토콜

UDP 기반이 아닌 TCP 기반이라 작은 IOT 기기에서는 사용이 어려울 수 있다. 

MQTT 프로토콜에서 사용자 인증을 제공한다. 하지만 이를 위한 username, password 필드는 cleartext로 전달되므로 이들 정보와 송수신 데이타를 보호하기 위하여는 별도로 암호화를 하거나 SSL/TLS를  이용하여 암호화 채널을 이용하여야 한다. 

결과적으로 public 망에서 운영되는 IOT 기기는 MQTT, TCP, TLS를 지원할 수 있는 OS와 메모리 사양이 되어야 한다.




- Session Oriented

MQTT는 client-server protocol로, client는 센서 장치 또는 모니터링 장비(PC, 스마트 기기)가 될 수 있고, server는 broker라고 칭한다. Broker는 연결된 client 와의 session을 관리하고, 다른 broker와 연결하기도 한다. 초기 세션 수립은 client에서 MQTT broker로 MQTT CONNECT 메시지를 전송하여 이루어진다. 이후 이 TCP 세션은 client가 사용을 중단할 때까지 유지하여 메시지를 주고 받는 용도로 사용한다. 




- Exteremely Lightweight Publish / Subscribe Messaging Protocol

메시지 큐 프로토콜은 채팅과 유사한 개념이라고 생각하면 된다. IRC 채팅 개념과 비교하면 아래와 같다.

IRC 채팅

MQTT

IRC Server

MQTT Broker

Channel

Topic

Join a channel 

Subscribe


IRC는 명시적인 channel에 join 하는 것이라면 MQTT는 wildcards 로 여러 topic을 한꺼번에 subscribe 할 수 있다. 



2. Topic


Topic 은 아래의 예와 같이 계층적으로 구성할 수 있다. 

(아래 예는 HiveMQ 의 페이지 내용을 참고한 것으로 관련 내용을 읽어보는 것도 좋을 듯 하다)


myhome/groundfloor/livingroom/temperature


여러 topic 을 한번에 subscribe 하기 위하여는 single level ’+’나 multi level ‘#’ 을 사용할 수 있다. 

Single level은 아래 처럼 topic 중간에 wildcard를 사용하는 것이다. 

myhome/groundfloor/*/temperature


이와 같이 subscribe 하게 되면 다음과 같은 topic 이 포함된다.

  • myhome/groundfloor/livingroom/temperature
  • myhome/groundfloor/kitchen/temperature


Multi level wildcard는 마지막에 사용할 수 있다. 

myhome/groundfloor/#


이와 같이 subscribe 하게 되면 다음과 같은 topic 이 포함된다. 

  • myhome/groundfloor/livingroom/temperature
  • myhome/groundfloor/livingroom/brightness
  • myhome/groundfloor/kitchen/temperature



3. Subscribe / Publish 


일반적인 센서 노드는 정보를 주기적으로 publish 한다(publisher). 반대로 모니터링을 위한 스마트 기기는 필요한 topic 을 subscribe 하여(receiver) 센서 노드에서 오는 정보를 활용한다.


단순한 예를 보면 다음과 같을 것이다.




- Receiver는 수신 받기를 원하는 topic 을 subscribe 한다.

- Publisher는 필요 시점마다 publish 하면 broker는 이를 subscribe 되어 있는 client 로 전달하여 준다. 


다수의 receiver가 동일 topic 으로 subscribe 할 수 있고, 이 경우 broker는 모든 subscriber에게 publish message를 전송한다. 


동작 방식은 프로토콜 이름 처럼 ‘message queue’ 방식이다. 개념적으로 보면 broker는 다음과 같은 절차로 수행한다. 

  • Publisher에서 수신된 message를 queue 에 저장
  • QoS 종류에 따라 publisher에 ack 응답 
  • Queue에 저장된 메시지를 subscriber에게 전송 및 QoS 에 따라 ack 응답 확인
  • Queue에 저장된 메시지를 삭제하거나 설정에 따라 유지 (retain field)



4. QoS


메시지를 전송하는 경우 메시지의 특성 및 중요도에 따라서 수신측이 정확히 전송을 받았는지를 확인할 필요가 있다. MQTT 에서는 QoS level로 이와 같은 설정을 할 수 있다. 

- QoS 0 (at most once): 수신측 확인 없이 1회 전송

- QoS 1 (at least once): 수신측의 ACK를 확인 및 재전송 (재전송으로 수신측에서는 중복된 message를 받을 수 있음)

- QoS 2 (exactly once): 송신 및 수신측 모두 메시지가 정상적으로 전송되었는 지 확인


여기서 수신측이라 하는 것은 최종 receiver를 말하는 것이 아니라 client이면 broker를 broker이면 publish를 전달하는 client를 말한다. 


각각의 QoS 레벨에 따라 전달되는 protocol 절차는 아래와 같다. 


  • QoS0



  • QoS1



  • QoS2



QoS0는 별도의 ACK 없이 전송하는 것이고, QoS1는 PUBACK(Publish Acknowledge)로 수신 확인을 한다. 만일 송신 측에서 PUBACK를 지정된 시간에 받지 못하면 PUBLISH를 동일한 ID로 duplicate flag를 설정하여 재전송한다. QoS2 의 경우 송신 측에서 응답을 받았는지도 확인하는 절차로 PUBREC(Publish Received), PUBREL(Publish Release), PUBCOMP(Publish Complete) 까지 4-way handshaking을 수행한다. 


Lossless를 보장하는 TCP layer 위에서 운영하는 경우 이와 같은 QoS의 실효성이 의심스러울 수 있다. 또한 이 QoS 절차도 server-client 간의 절차로 아래처럼 QoS2를 사용하는 경우에도 최종단이 수신하기 전에 송신 절차는 종료된다. 




이 부분은 다음과 같이 이해하여야 한다. 

  • QoS0는 client가 전송한 메시지를 broker가 받았는지 확인이 불가능하다. 예를 들어 송신중 연결이 끊어진 경우 이 메시지가 상대방에 전달이 되었는지를 확인할 수 없다. 주기적으로 전송되는 온도 값과 같은 경우 이와 같은 방식으로 전달하여도 문제는 없을 것이다.
  • Broker 관점에서 QoS0 메시지는 별도로 queueing을 하지 않는다. QoS1/QoS2 의 경우 queueing 되어 offline 되어 있는 persistence session (아래 clean session 참고)이 이후 online 된 경우 전달할 수 있다.
  • QoS2의 경우 동일 메시지가 중복되어 전달되는 경우 심각한 문제를 야기할 수 있는 경우에 사용할 수 있다. QoS1의 경우 PUBACK를 broker가 응답하는 시점에서 연결이 끊어졌다면 송신측은 미전송이지만, 수신측은 정상적으로 수신한 상태가 된다. 


WiFi와 같이 채널 연결이 쉽게 끊어질 수 있는 경우라면 QoS 설정에 대하여 충분한 고려가 되어야 할 것이나 보통은 서버의 queueing 필요성에 따라서 QoS0, QoS1 중 선택하여 보내면 될 것 같다. 


각각의 client는 초기에 MQTT CONNECT 시 자신이 받을 수 있는 최대 QoS를 지정할 수 있다. 이 경우 broker는 해당 client로 전송할 때 이 QoS보다 높은 경우 설정된 QoS로 낮추어 전송한다. 


5. Others 


5.1 Clean Session

Client는 CONNECT 시 cleanSession flag를 설정하여 보낼 수 있다. Persistence session을 유지하여야 하는 경우에는 이 flag를 false로 하여 보낸다. Broker는 이와 같은 persistence session을 요청하는 client에 대해서는 다음과 같은 정보를 저장 관리 하므로 연결이 끊어졌다 재 종료 시에도 재설정이 필요없다. 

  • 모든 subscription 
  • QoS1,2 (송수신) 메시지 중 해당 client가 응답하지 않은 메시지
  • Client가 offline 중 발생된 QoS1,2 메시지 


표준에는 broker가 이들 정보를 얼마만큼의 시간동안 유지 시켜줄지는 규정되어 있지 않다. Client는 CONNECT ACK 메시지의 sessionPresent 필드로 이전 세션이 broker에 유지되고 있는지를 확인할 수 있다. 


CONNECT 시 cleanSession을 true로 설정한 경우 broker는 해당 client에 대한 기존 유지되어 있던 session도 clear하고 향후 연결 종료시에도 session을 저장하지 않는다. 


5.2 Retained Message

Client는 PUBLISH로 메시지를 전송 시 retained flag를 설정할 수 있다. 이 field가 true로 되어 있는 경우 broker는 해당 topic의 최종 메시지를 저장하여 차후 subscribe 되는 client가 있는 경우 이를 전송하여 준다. 


새로 연결되어 subscribe하는 client 에게 최종 상태를 알려주는 용도로 사용할 수 있다. 


5.3 lastWill

Client는 CONNECT 시 lastWill로 비정상용 publish 메시지를 설정할 수 있다. Client가 DISCONNECT와 같이 정상절차로 종료 되지 않고 비정상적으로 연결이 끊긴 경우 이 메시지를 subscriber에게 전송한다. 


이를 이용하여 자신의 online, offline 여부를 알려주는 용도로 사용할 수 있을 것이다. 예를 들어 초기 connect시 lastWill message로 ’client/status’ topic 에 ‘offline’으로 payload를 설정해 두고, 처음에 ‘online’으로 publish를 한다면 비정상적으로 종료되는 경우 lastWill 메시지가 전송되어 subscriber는 상태를 알 수 있게 된다. 


5.4 Keepalive

Client는 MQTT CONNECT 시 Keep Alive 필드를 이용하여 keep alive interval을 설정할 수 있다. 이 경우 client는 전송할 메시지가 없는 경우 connection 연장을 위하여 PINGREQ/PINGRESP 절차를 수행하여야 한다. Timeout이 되는 경우 broker는 연결을 끊고, lastWill 등의 처리를 해 줄 것이다. 


5.5. 기타

참고로 여러 MQTT 서버를 연결하는 것도 bridge를 통하여 가능하다. Bridge는 MQTT client-server protocol 을 이용하여 MQTT broker 간의 메시지를 forwarding 하는 것으로 MQTT protocol 만으로 구현 가능하다. 물론 이 방법은 bridge로 forwarding 되는 메시지로 인하여 규모 확장에 문제가 될 수 있어 clustering 이 지원되는 broker를 검토해볼 필요가 있다. 


6. 시험 


기본적인 동작 시험은 설정이나 사용이 쉬운 Mosquitto MQTT broker를 이용하는 것이 좋다. 

Ubuntu 인 경우 아래처럼 mosquitto를 하거나, docker를 이용하여 설치해볼 수 있다.


$ apt-get install mosquitto

or

$ docker pull ansi/mosquitto


Broker를 설치하면 같이 제공하는 mosquitto_sub, mosquitto_pub utility를 이용하여 subscribe, publish 를 시험해 볼 수 있다. 


7. 정리


단말이 어느정도 제한된 리소스를 가진 기기이지만, proxy 등의 도움없이 직접 public internet 접속이 가능하고, TCP, TLS 사용이 가능한 경우라면 MQTT를 검토해 볼 수 있을 것이다. TCP 연결 방식이고 모든 연결은 broker를 통하는 방식이라 NAT 상에서도 문제없이 사용가능하다.


참고문서 

  • MQTT homepage: MQTT OASIS 표준 문서
  • MQTT Essentials: HiveMQ에서 작성한 문서로 MQTT에 대해서 가장 쉽게 잘 설명되어 있다.


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