Quatro protocolos de comunicação baseados em TCP que são fundamentais para a IIoT – Parte 1: MQTT
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Quatro protocolos de comunicação baseados em TCP que são fundamentais para a IIoT – Parte 1: MQTT
O futuro da automação é caraterizado por termos como Indústria 4.0, IIoT, fábricas inteligentes e dispositivos inteligentes. No cerne dessa nova era tecnológica está a conectividade: pirâmides de automação rígidas e hierárquicas com camadas divisórias sendo substituídas cada vez mais por estruturas de rede maiores, em que nós individuais estão interconectados e trocam dados.
Para essa rede inteligente, os dispositivos devem estar capacitados para IIoT, ou seja, padronizados, escaláveis, compatíveis com TI e OT e interoperáveis. Além disso, eles devem ser capazes de se comunicar em segurança. Vários protocolos de comunicação estão disponíveis para a implementação dessa comunicação inteligente, como MQTT, OPC UA, AMQP e API REST. Em nossa série de artigos de blog em várias partes, você pode descobrir quais propriedades caracterizam esses protocolos de comunicação IIoT e para quais aplicativos são particularmente adequados. A série de artigos inicia com MQTT.
O que é MQTT e como funciona?
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) é um protocolo de mensagens de publicação/assinatura compacto, binário, aberto e fácil de implementar. Possui certificação OASIS e ISO (ISO/IEC 20922:2016) gerenciada pelo Comitê técnico OASIS. O MQTT surgiu em 1999 como uma solução técnica para o problema da largura de banda e monitoramento eficiente de energia de baterias de oleodutos. Quatorze anos depois, em 2013, a IBM submeteu o MQTT ao Conselho de especificação OASIS, após o qual foi publicado como um padrão OASIS em 2014. Desde então, vem conquistando o mercado industrial, especialmente em áreas onde restrições como código enxuto, sobrecarga mínima e tráfego limitado de rede estão em alta na agenda. Os recursos básicos do MQTT estão descritos no gráfico abaixo (Figura 1). Os clientes do MQTT (tanto o editor quanto o assinante) se conectam ao agente do MQTT. Assim que o cliente MQTT de edição envia dados para o agente, este lembra que deve enviar essa mensagem a todos os clientes MQTT inscritos. A vantagem significativa desse tipo de topologia é o desacoplamento de editores e assinantes. Em vez de fazer inúmeras conexões entre eles, o agente é responsável por transportar os dados de uma extremidade para a outra.
Fig.1: Como o MQTT funciona - uma aplicação MQTT típica
A especificação MQTT contém vários recursos notáveis:
Tópico:
Um elemento básico no protocolo MQTT. Cada mensagem enviada pela rede consiste em um tópico e uma carga útil, além das informações do cabeçalho. O tópico é a informação que o agente pode usar para filtrar mensagens e que os assinantes assinam. Os tópicos podem incluir vários níveis, por exemplo “home/sensor1/identification” consiste em três níveis de tópicos e “home/sensor1/data/temperature” consiste em quatro níveis de tópicos. Cada nível de tópico é separado por uma barra e a estrutura de tópico diferencia letras maiúsculas e minúsculas. Os tópicos também podem conter espaços reservados em um ou mais níveis. O uso de um espaço reservado em um único nível é implementado usando o sinal de adição e pode ter o formato: “home/+/data/temperature”. Para isso, todos os valores de temperatura são registrados por todos os sensores internos e publicados em clientes MQTT inscritos. O segundo tipo de espaço reservado é o espaço reservado de vários níveis que usa o ícone de hashtag. Um exemplo seria “home/sensor1/#”, que transfere todos os dados publicados por sensor1 para os clientes MQTT inscritos.
Qualidade do serviço:
Use esta função para definir a segurança de entrega para cada mensagem. O objetivo desta função é definir diferentes níveis de segurança para garantir que a mensagem chegue ao lado do assinante. Esses níveis são: QoS 0 (no máximo uma vez), QoS 1 (pelo menos uma vez) e QoS 2 (exatamente uma vez). O QoS 2 é o mais alto nível de qualidade e requer a maioria das confirmações de comunicação e medidas de implementação.
Consciência de sessão:
Existem vários mecanismos no MQTT para garantir que a conexão entre o agente e o editor/assinante permaneça intacta. O mecanismo mais básico é a mensagem keep-alive. De vez em quando, o cliente envia uma mensagem keep-alive para confirmar ao agente que a conexão ainda está em vigor. Isso permite que o agente veja se o cliente ficou offline. Além disso, o cliente fornece ao agente uma declaração de “último desejo e testamento” (LWT, last will and testament) durante o processo de conexão inicial. Após o cliente ficar offline, essa mensagem é enviada pelo agente para os outros clientes na rede a fim de informá-los da ausência do cliente.
Sessão persistente:
Quando uma sessão persistente é estabelecida entre o agente e um assinante, o agente armazena as mensagens até que o assinante esteja pronto para recebê-las. Esse recurso é particularmente útil para redes instáveis.
Interoperabilidade do MQTT
O MQTT é o mais compacto de todos os protocolos e não define nenhum nível de padronização. A carga útil (mensagem) é enviada para um tópico específico e a ortografia incorreta de um tópico ou o envio de dados em um formato diferente do desejado não é considerado um erro. Desde o MQTT 5, os metadados podem ser enviados nos cabeçalhos. No entanto, dispositivos individuais não são impedidos de ter uma convenção de nomenclatura completamente diferente e informações de metadados diferentes. Como resultado, o MQTT é inadequado para interação máquina-a-máquina, a menos que todos os tópicos e mensagens sejam definidos por humanos. Para interação entre humano e máquina, o humano deve primeiro investigar para determinar quais tópicos estão disponíveis e como seus dados são estruturados antes de interagir com a máquina. A máquina não pode determinar os tópicos nos quais os usuários podem se inscrever.
Comportamento em tempo real do MQTT
Devido à baixa sobrecarga, o MQTT alcança tempos de transporte curtos. Se não houver atraso entre o editor e o agente, e o assinante estiver conectado ao agente e ouvir ativamente, a resposta prometida “quase em tempo real” e “sem atrasos” pode, em teoria, ser alcançada.
Segurança do MQTT
O MQTT oferece a capacidade de autenticar com um nome de usuário e senha durante a fase de inicialização da conexão. Desde o MQTT 5, apenas o campo de senha pode ser usado para uma transferência de token e os mecanismos de segurança adicionais são necessários, como autenticação de resposta de desafio.
Implementação do MQTT
O MQTT é o mais compacto de todos os protocolos. Ele requer trabalho mínimo na implementação e nos recursos do sistema, como espaço de armazenamento, potência de computação e capacidade de transmissão, são significativamente reduzidos durante o tempo de execução, em comparação com todos os outros protocolos. Apenas medidas de segurança adicionais podem aumentar o trabalho envolvido.
Aplicações do MQTT
O MQTT é perfeito, por exemplo, quando uma solução simples e compacta é tudo o que há de necessário. Esse é o caso de quando os dados são coletados de vários sensores ou a mesma informação é enviada para muitos sensores do mesmo tipo ao mesmo tempo, ou quando o baixo consumo de energia e os requisitos de memória muito baixos são necessários. O MQTT é implementado em vários cenários, como automóveis conectados, aplicações militares, redes de equipamentos industriais, controle de drones etc.
Protocolos de comunicação baseados em TCP
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