Warum MQTT für Industrie 4.0


Von Joerg Wende, Client Technical Specialist, IBM Germany GmbH, SW Group

Stärke des Standorts Deutschland sind die Technologieschnittstellen. Kommen Maschinenbau, Elektrotechnik und Automobilbau mit der IT -Industrie zusammen, entstehen riesige Chancen. Es sind aber große Herausforderungen zu bewältigen, zum Beispiel eine Architektur-Plattform für Industrie 4.0. Die Industrie 4.0 Platform Initiative arbeitet derzeit an einer gemeinsamen Architektur für eine solche Plattform. IBM ist als Marktführer im Bereich Service Oriented Architecture (SOA ) eine der treibenden Kräfte. Für die gemeinsame Architektur, die die horizontale und vertikale Integration von Geräten und Anwendungen vereinfachen und möglichst flexibel gestalten soll, gibt es viele Kriterien zu berücksichtigen. Zentral ist die Wahl der Protokolle, um die Integration zu vereinfachen und damit die Kosten zu optimieren. Wichtige Einflussgrößen sind auch nicht-funktionale Anforderungen, wie Echtzeit- oder Sicherheitsanforderungen. Aus den gesetzten Auswahlkriterien von Industrie 4.0 empfiehlt sich MQTT als das Kommunikations- und Kooperationsprotokoll für die von der Industrie 4.0 vorgegebene vertikale und horizontale Integration.

MQTT – Übersicht
MQTT wurde für den bidirektionalen Nachrichtenaustausch von kompakten Endgeräten mit geringer Bandbreite, kostenintensiven Verbindungen oder herstellerspezifischen Protokollen und für eine zuverlässige und sichere Nachrichtenübertragung entwickelt. Die Spezifikation ist beim OASIS-Konsortium zur Standardisierung eingereicht. MQTT adressiert Limitierungen im Netzwerkbereich, die durch folgende Faktoren hervorgerufen werden:

  • Begrenzte Bandbreite
  • Volumenbegrenzungen
  • Unsichere Verbindungen

Hauptmerkmale des Protokolls sind:

  • Einfachheit
  • Sicherheit
  • Zuverlässigkeit
  • Skalierbarkeit

Einige dieser Hauptmerkmale werden im Folgenden erläutert.

MQTT – das Protokoll Publish/Subscribe
MQTT nutzt ein asynchrones, nachrichtenorientiertes Übertragungsprotokoll unter Verwendung von Publish/Subscribe, bei dem eine sendende Anwendung (Publisher) die Information nicht direkt an einen Empfänger (Subscriber) versendet, sondern diese mit einer Klassifizierung (Topic) versieht und an einen Vermittler (Broker) sendet. Ein Empfänger registriert sich unter der Angabe von einem oder mehreren Topics beim Broker. Wenn zu einem Topic Nachrichten veröffentlicht (publiziert) wurden, übernimmt der Broker die Verteilung an alle registrierten Empfänger. Der Broker fügt damit auch automatisch eine Entkopplung zwischen sendenden und empfangenden Anwendungen ein. Die Verbindungen zwischen den Anwendungen und dem Broker können zusätzlich durch Autorisierung und Verschlüsselung gesichert werden.

Effizienz und Wirtschaftlichkeit
MQTT kann auf kompakten Endgeräten folgende Limitierungen adressieren:


  • Begrenzungen in der Verarbeitungsgeschwindigkeit oder beim Speicherplatz
  • Java Library: 53 kBytes
  • C Library: 88 kByte
  • Restriktionen beim Einsatz von speziellen Kommunikationsprotokollen
  • Begrenzter Energieverbrauch bei mobilen Endgeräten

Eine Untersuchung zum Energieverbrauch ergab signifikante Unterschiede in der Batterielaufzeit von mobilen Endgeräten:

MQTT – Programmierung
Die Programmierschnittstelle für MQTT ist einfach gehalten und beinhaltet im Prinzip nur vier API Aufrufe:

  • Herstellung der Verbindung
  • Senden (Publizieren) von Nachrichten
  • Empfangen (Subskription)
  • Beenden der Verbindung

Die Implementierungen für die Programmiersprachen Java und C wurden von IBM an die Eclipse Foundation übergeben und stehen über das Eclipse Paho Projekt zur Verfügung (EPL). Clients für andere Programmiersprachen können über die Webseite MQTT .org gefunden werden.

Anwendungsbeispiele für MQ Telemetrie Transport
Durch die vielfältigen Eigenschaften des Protokolls wird MQTT bereits in einer großen Anzahl von Industrien eingesetzt. Beispiele sind Track & Trace-Anwendungen, die Überwachung von Messwerten (z.B. Energie, Wasser, Durchfluss, Temperatur) und die Fahrzeugkommunikation.

M2M Alliance-JahrbuchIBM Germany
M2M Alliance Jahrbuch 13/14

 

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