Protocolo MQTT
Protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
El protocolo eficiente y ligero que nos conecta al IoT
Surgido de la necesidad de enviar y recibir datos de manera confiable en ubicaciones remotas con ancho de banda limitado y conexiones poco confiables, principalmente dentro de la industria petrolera, el protocolo MQTT (Message Telemetry Transport) es hoy en día un estándar para la comunicación entre dispositivos en aplicaciones de IoT y sistemas de monitoreo remoto.
El protocolo MQTT está diseñado para ser simple y eficiente en términos de uso de ancho de banda y recursos de hardware; es ligero, seguro, fiable y escalable, ya que puede conectarse con millones de dispositivos y hoy en día podemos verlo ser empleado en muchas industrias, incluyendo las telecomunicaciones, automotriz, la domótica y mucho más.
Arquitectura MQTT o Cliente-Servidor
Para empezar es necesario decir que hay 2 partes clave en el MQTT: el cliente y el servidor (broker), siendo el cliente el dispositivo que envía o recibe mensajes y el broker el intermediario que recibe todos los mensajes de los clientes y los enruta hacia sus destinatarios.
Ahora veamos qué caracteriza a cada uno de estos componentes:
El cliente/client
- Es el dispositivo o aplicación que se conecta al MQTT para enviar o recibir mensajes;
- Puede publicar mensajes en temas específicos y/o suscribirse a temas para recibir mensajes relevantes;
- Puede estar conectado a uno o varios servidores MQTT al mismo tiempo.
El servidor/broker
- Es el intermediario entre los clientes;
- Recibe, enruta y envía mensajes entre los clientes;
- Se asegura de que los mensajes se entreguen a los clientes correctos;
- Puede haber uno o varios servidores en una red, dependiendo de la escala y los requisitos de la aplicación.
Dicho de otra manera, en la arquitectura MQTT los clientes se conectan al servidor para intercambiar mensajes. Los clientes pueden ser tanto productores de datos (publicadores), que envían mensajes a temas específicos, como consumidores de datos (suscriptores), que reciben mensajes publicados en los temas a los que están suscritos. El servidor se encarga de gestionar estas interacciones, asegurando que los mensajes se entreguen correctamente a los destinatarios correspondientes.
Características principales del Protocolo MQTT: eficiencia y confiabilidad en la entrega de mensajes
Si bien ya hemos mencionado que el MQTT se caracteriza por ser ligero, escalable y adecuado para aplicaciones IoT, enseguida te explicamos con más detalle a qué nos referimos con estas particularidades.
- El MQTT es ligero: esta característica es sumamente importante y destacable. Cuando decimos que es ligero y simple estamos diciendo que utiliza poca cantidad de ancho de banda y recursos de un dispositivo, lo cual es ideal cuando se trata de dispositivos con capacidades limitadas.
- El MQTT es escalable: significa que puede manejar grandes cantidades de dispositivos conectados y mensajes simultáneos, lo que lo hace ideal para aplicaciones IoT a gran escala.
- El MQTT está basado en suscripciones: es decir, los clientes se suscriben a “temas” de interés y reciben los mensajes publicados en esos temas.
- El MQTT es altamente confiable: ofrece opciones para garantizar la entrega confiable de mensajes, incluyendo la confirmación de recepción (ACK) y la retransmisión automática en caso de fallos de conexión.
- El MQTT es un protocolo bidireccional: es decir, se pueden enviar y recibir mensajes de forma independiente.
Las grandes ventajas del protocolo MQTT
- Bajo consumo de ancho de banda: es una de las ventajas cruciales al hablar del MQTT ya que al utilizar un formato de mensajería ligero y compacto, la cantidad de datos transmitidos es mínima, lo que a su vez reduce la carga en la red y optimiza el rendimiento. Esto es ideal cuando se trata de entornos donde el ancho de banda es limitado. Además de esto, el MQTT permite que dispositivos con poca capacidad de procesamiento, memoria y energía puedan comunicarse de forma eficiente sin agotar sus recursos. En general, el mínimo uso de banda de ancho del MQTT permite una comunicación más fluida y confiable cuando hay conexiones de red lentas o poco confiables.
- Fiabilidad: otro de los grandes beneficios del protocolo MQTT es su fiabilidad, que se logra mediante la confirmación de recepción (ACK, del inglés acknoledgment), la retransmisión automática de mensajes en caso de fallos de conexión, los niveles de calidad de servicio (QoS, Quality of Service) y la persistencia de mensajes. Dicho de otra manera, cuando un cliente MQTT publica un mensaje, el servidor MQTT envía una confirmación al cliente una vez que el mensaje fue recibido con éxito. Si el cliente no recibe la confirmación dentro de un tiempo determinado, asume que el mensaje no ha sido entregado correctamente y puede volver a enviar automáticamente el mensaje, lo que garantiza que los mensajes se entreguen siempre a pesar de la poca confiabilidad de la conexión o la red.
- Escalabilidad: como ya hemos mencionado, el MQTT puede manejar grandes cantidades de dispositivos conectados simultáneamente. Hablamos de miles o hasta millones de clientes, lo que significa que un solo servidor MQTT puede admitir un número enorme de dispositivos y mensajes.
El MQTT en los dispositivos inteligentes y la vida diaria
La importancia y utilidad del protocolo MQTT se refleja directamente en nuestra rutina diaria, productividad y calidad de vida. Cuando decimos que tiene grandes aplicaciones en el IoT estamos diciendo que abarca la industria 4.0, hogares inteligentes, salud conectada y más. Tan solo el monitoreo del consumo de energía del aire acondicionado y electrodomésticos entra dentro de la utilidad de gestión energética; los famosos asistentes virtuales como Amazon Alexa y el Apple HomeKit utilizan el protocolo MQTT, permitiendo a cada usuario controlarlos a través de comandos de voz y automatizando las tareas del hogar (domótica).
En un plano industrial, el MQTT se emplea para controlar procesos y máquinas de forma remota y en tiempo real; en el sector de la salud, es usado para gestionar dispositivos médicos, inventarios y registros de pacientes.
Hablando de telecomunicaciones, el MQTT permite monitorear y gestionar redes y dispositivos conectados, incluyendo aplicaciones en redes celulares y redes de sensores.
Como nos podemos dar cuenta, la utilidad del protocolo MQTT puede extenderse hasta abarcar desde los procesos más sencillos en casa hasta el monitoreo en industrias y sectores donde se requiere una comunicación eficiente y confiable.
| Característica | MQTT | HTTP | CoAP (Constrained Application Protocol) |
|---|---|---|---|
| Eficiencia | Es altamente eficiente en términos de uso de ancho de banda y recursos de red, ya que los mensajes son pequeños y la sobrecarga de la red es mínima. | Puede ser menos eficiente en comparación con MQTT y CoAP, especialmente para aplicaciones con grandes volúmenes de datos, debido a la sobrecarga de cabeceras y el uso de conexiones persistentes. | Es altamente eficiente y optimizado para dispositivos con recursos limitados, utilizando mensajes compactos y un protocolo ligero. |
| Escalabilidad | Es altamente escalable y puede manejar grandes volúmenes de dispositivos y mensajes simultáneos en una red IoT. | Puede tener limitaciones de escalabilidad en comparación con MQTT y CoAP, especialmente en entornos con grandes volúmenes de tráfico o conexiones concurrentes. | Es altamente escalable y adecuado para entornos con dispositivos con recursos limitados, como redes de sensores y dispositivos IoT. |
| Uso | Se utiliza principalmente en aplicaciones de IoT y sistemas de mensajería en tiempo real donde se requiere una comunicación eficiente y confiable entre dispositivos. | Se utiliza ampliamente en aplicaciones web y servicios RESTful donde se requiere la transferencia de datos a través de Internet utilizando el protocolo TCP/IP estándar. | Se utiliza en aplicaciones de IoT y sistemas embebidos donde se requiere una comunicación eficiente y optimizada para dispositivos con recursos limitados. |
| Latencia | Tiende a tener menor latencia que HTTP y CoAP, especialmente en aplicaciones de mensajería en tiempo real, ya que los mensajes se entregan de manera asincrónica y en tiempo real a través de conexiones persistentes. | Puede tener una mayor latencia que MQTT y CoAP debido a la naturaleza de solicitud/respuesta, especialmente cuando se utilizan conexiones no persistentes. | Tiene una latencia similar a HTTP, pero puede ser más eficiente en entornos con dispositivos con recursos limitados debido a su diseño optimizado. |
| Modelo de comunicación | Utiliza un modelo de comunicación de publicación/suscripción, donde los dispositivos pueden publicar mensajes en temas específicos y suscribirse a temas para recibir mensajes relevantes. | Utiliza un modelo de comunicación de solicitud/respuesta, donde un cliente envía una solicitud a un servidor y espera una respuesta del servidor. | Similar a HTTP, pero está diseñado para dispositivos con recursos limitados. Utiliza un modelo de solicitud/respuesta y permite operaciones CRUD (Crear, Leer, Actualizar, Borrar) sobre recursos web. |
MQTT y los desafíos a superar
Aunque ya hemos visto que el protocolo MQTT es altamente eficiente y confiable, como en cualquier nueva implementación existen desafíos que hay que tomar en cuenta:
- Seguridad en la comunicación: tomando en cuenta que el MQTT carece de mecanismos de seguridad integrados (tipo cifrado), pueden existir riesgos al enviar datos sensibles a través de la red. La solución a este desafío es tomar medidas de seguridad adicionales, sin embargo, esto puede añadir complejidad al sistema.
- Complejidad en la configuración inicial: definitivamente configurar una infraestructura MQTT puede ser complejo. Para esto se requiere experiencia e inclusive recursos adicionales.
- Escalabilidad: una de sus grandes ventajas puede llegar a ser también un desafío, ya que pueden surgir problemas como la sobrecarga del servidor, congestión de red y limitaciones de recursos en dispositivos.
- Monitorización: llevar a cabo la supervisión y gestión de una red MQTT puede requerir herramientas de monitorización específicas.
- Fiabilidad en redes intermitentes: a pesar de que existen mecanismos para la entrega de confiable de mensajes, es necesario implementar estrategias de manejo de errores y recuperación que garanticen la entrega de mensajes en cualquier condición.
- Optimización de recursos: es necesario tomar en cuenta este desafío cuando tratamos con dispositivos con recursos limitados. En estos casos, pueden requerirse optimizaciones adicionales que nos ayuden a minimizar el consumo de recursos.
En conclusión
No hay duda de que el protocolo MQTT es una herramienta poderosa para la comunicación eficiente entre dispositivos IoT. Aunque ofrece numerosos beneficios, que ya describimos anteriormente, su implementación no está exenta de desafíos. Abordar adecuadamente la seguridad, la confiabilidad de la red, la escalabilidad y el consumo de energía son aspectos clave para aprovechar al máximo las ventajas de MQTT en el mundo del Internet de las cosas. Con un enfoque cuidadoso y soluciones adaptadas a las necesidades específicas de cada aplicación, MQTT sigue siendo una opción líder para la conectividad en el ecosistema cada vez más interconectado de dispositivos inteligentes.
