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MQTT

読み：えむきゅーてぃーてぃー　／　英語表記：Message Queuing Telemetry Transport

IoT機器向けの軽量なメッセージングプロトコル。TCPの上で動き、送信者（パブリッシャ）と受信者（サブスクライバ）が、ブローカーと呼ばれるサーバを介してメッセージをやり取りする（パブリッシュ/サブスクライブ型）。

イマシルちゃんの解説

MQTTは、温度センサなどのIoT機器で使われる軽量なメッセージ通信のプロトコルだよ。
メッセージを仲介するブローカーというサーバを利用するんだ。

メッセージには「部屋1の温度」などの分類名であるトピックを付けるよ。
受信者のサブスクライバは、受け取りたいトピックをブローカーに登録して購読するの。
送信者のパブリッシャは、測定値にトピックを付けてブローカーへ送るよ。
ブローカーが、そのトピックを購読しているサブスクライバへ測定値を配信するんだ。

このような送り方をパブリッシュ／サブスクライブ型というよ。
センサは受信者一台ずつの宛先を管理しなくていいから、スマホや記録用サーバをあとから追加しやすいんだ。

より深い解説

定義

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）は、OASISで標準化された、パブリッシュ/サブスクライブ型のメッセージングプロトコルである。ヘッダーが最小2バイトと小さく、処理能力やバッテリーの限られたIoT機器や、不安定な回線での利用を想定して設計されている。通常はTCPの1883番ポート（TLSを使う場合は8883番）を使う。

パブリッシュ/サブスクライブ型

役割内容
パブリッシャメッセージにトピック（例：factory/line1/temperature）を付けてブローカーに送る
ブローカーメッセージを受け取り、そのトピックを購読しているサブスクライバに配る
サブスクライバ関心のあるトピックをブローカーに登録（購読）し、メッセージを受け取る

送信者と受信者が互いを直接知る必要がなく、1対多の配信や、機器の追加・削除がしやすい。

一つのクライアントが発行と購読を両方行ってもよい。例えば温度センサーは測定値を発行しながら、測定間隔の変更指示を購読できる。機器からブローカーへ確立したTCP接続は双方向に使えるため、指示を受け取るたびにブローカーから機器へ新しい接続を開始する必要はない。NATやファイアウォールを越える構成では、この既存接続とその通信状態を維持する。

接続、購読、配信のパケット

MQTT 3.1.1では次の制御パケットを使い分ける。接続を受け付けたことと、購読を受け付けたことは別の応答である。

制御パケット送信する側と役割
CONNECTクライアントがMQTT接続を要求する。クライアントIDや接続条件を渡す
CONNACKブローカーが接続要求の結果を返す
SUBSCRIBEクライアントが受け取りたいトピックフィルタと、その購読で受信したい最大QoSを登録する
SUBACKブローカーが購読要求の結果を返す。受理したQoSまたは失敗を知らせる
PUBLISHアプリケーションのデータを運ぶ。発行者からブローカーへも、ブローカーから購読者へも使う
PUBACKQoS 1のデータ受信を確認する
PUBRECQoS 2のデータを受信したことを返す
PUBRELQoS 2で受信通知を受けた送信側が、受信側へ次の処理を進めるよう知らせる
PUBCOMPQoS 2の受信処理の完了を知らせる

ブローカーは、配信データのトピック名と登録済みのトピックフィルタを照合して宛先を選ぶ。例えば plant/+/temperature は中間の1階層だけを任意とする。末尾の # は複数階層を含めて照合する。ワイルドカードは購読条件に使い、発行するデータのトピック名には使わない。

ヘッダーとデータの位置

全制御パケットは固定ヘッダーを持ち、種類やフラグ、残りの長さを表す。可変ヘッダーとペイロードが続くかどうか、その中身はパケットの種類による。すべての種類に三つの部分が必ずそろうわけではない。

パケット可変ヘッダーとペイロードの主な内容
CONNECT接続条件を可変ヘッダーに、クライアントIDなどをペイロードに置く
PUBLISHトピック名を可変ヘッダーに、実際の測定値などをペイロードに置く。QoS 1・2ではパケット識別子も持つ
SUBSCRIBEパケット識別子を可変ヘッダーに、購読条件と要求QoSをペイロードに置く

パケット識別子は、応答を元の要求や配信へ対応付けるための16ビット値である。QoS 0のデータ配信には含めない。長さが0のペイロードを持つデータ配信も可能であり、ペイロードがないことだけで不正とは判定できない。

QoS（配信の保証レベル）

QoS意味内容
0At most once最大1回。MQTTの確認応答を使わず、届かないこともある
1At least once少なくとも1回。受信確認と未完了の配信状態を管理するため、再配信で重複する可能性がある
2Exactly onceちょうど1回。4段階のやり取りと状態管理で、同じ配信を重複して受け渡さない

QoS 2のやり取りは次の順となる。途中のパケットが再配信されても、受信側はパケット識別子と保存した状態から既存の処理を判別する。

上から下へ順に通信が進む。
送信側
受信側
  1. SからRへ。
    PUBLISH
    データとパケット識別子
  2. RからSへ。
    PUBREC
    受信を通知
  3. SからRへ。
    PUBREL
    通知を受理
  4. RからSへ。
    PUBCOMP
    処理完了

QoSは発行者からブローカー、ブローカーから購読者という各配送区間で適用される。ブローカーからの配信QoSは、受信したメッセージのQoSと、購読時に受理された最大QoSの両方を上限として決まる。発行時にQoS 2を指定しても、QoS 0で購読する相手まで必ずQoS 2になるわけではない。また、業務処理の完了やデータベースへの保存を直接保証する機能ではない。

CoAPとの比較

MQTTCoAP
トランスポートTCPUDP
通信モデルパブリッシュ/サブスクライブ（ブローカー経由）リクエスト/レスポンス（HTTPに似たRESTの方式）
メッセージの形式バイナリバイナリ（固定ヘッダー4バイト）
信頼性の確保TCPと、MQTTのQoS確認応答付きのメッセージ（CON）で再送
向いている場面多数の機器からデータを集める、通知を配る小電力の機器を直接操作する、制約の厳しいネットワーク

その他の機能

機能内容
Retainトピックの最後のメッセージをブローカーが保持し、新しいサブスクライバにすぐ送る
Will（遺言）機器が不意に切断されたとき、あらかじめ登録したメッセージをブローカーが配信する
Keep Alive定期的に通信して、接続が生きていることを確認する

参考資料

実際の試験ではここに出る！全4問

ネットワークスペシャリスト

午後Ⅱ
午前Ⅱ

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