IoT Protokolle – MQTT vs. AMQP

Das „Internet of Things“ – kurz „IoT“ – ist im Moment das große Thema in der Industrie und Softwarebranche. Nachdem wir schon in einem etwas älteren Blockartikel das Thema MQTT aufbereitet und analysiert haben, ist es Zeit, sich einem zweiten wichtigen Protokoll im Umfeld von IoT anzunehmen. In diesem Artikel werden wir die beiden Protokolle vergleichen und mögliche Unterschiede bei den Einsatzszenarien beschreiben.

Wer heute ein IoT-Projekt umsetzen möchte, muss sich vor allem Gedanken darum machen, wie er die auszutauschenden Daten möglichst effizient und standardisiert übertragen kann. Zu diesem Zweck gibt es verschiedenste Protokollstandards, die entwickelt wurden, damit Plattform und Technologie übergreifend miteinander kommunizieren können.

Speziell im IoT Umfeld erfüllen die entwickelten Protokolle vor allem noch die Aufgabe möglichst mit wenigen Ressourcen auszukommen.

Was ist also AMQP und was kann es leisten?

AMQP steht für Advanced Message Queuing Protocol und wurde durch ein Konsortium von großen Unternehmen aus verschiedenen Branchen – u.a. VMware, Microsoft und Cisco – entwickelt. Bereits in 2010 gab es den ersten Draft des Protokolls.

Im Kern handelt es sich um ein asynchrones Protokoll zur Nachrichtenübertragung. Die bisher beste Erklärung zur Idee hinter AMQP findet man auf der Seite von RabbitMQ (https://www.rabbitmq.com/tutorials/amqp-concepts.html).

AMQP funktioniert demnach nach folgendem Prinzip:
Nachrichten werden an sogenannte Börsen (Exchanges) übertragen (vergleichbar mit einem Postamt). Die Börsen verteilen dann Nachrichtenkopien in Warteschlangen (Queue) basierend auf Regeln, sogenannten Bindings.

Die Nachrichten werden dann vom Empfänger direkt abgeholt, wenn er das möchte. Alternativ kann der Empfänger die Nachrichten auch bei einer Warteschlange abonnieren und bekommt diese dann direkt zugestellt.

Wenn die Nachrichten publiziert werden, kann der Herausgeber der Nachricht diese noch mit Attributen (Meta-Daten) versehen. Diese Metadaten können vom Empfänger beliebig genutzt werden.

Nachrichten bleiben so lange in den Warteschlangen, bis der Empfänger bestätigt hat, die Nachricht auch wirklich empfangen zu haben. Damit ist auch bei schlechtem Netz und Abbrüchen bei der Verbindung sichergestellt, dass die Nachricht den Empfänger erreicht.

Wenn eine Nachricht nicht zugestellt werden kann, erhält der Sender eine entsprechende Nachricht.
Die Umsetzung der Börse und der Warteschlange erfolgt innerhalb des sogenannten Brokers. Ein Broker ist z.B. der freie Server von RabbitMQ.

Die Börse ist dafür zuständig, die Nachrichten in eine oder mehrere Warteschlangen zu übertragen. Die Regeln dafür leiten sich aus den vordefinierten Austauschformaten (exchange types) und den Bindings ab.

Es gibt vier solche Austauschformate:

  • Direct –> Stellt eine feste Verbindung zwischen einer Börse und einer Warteschlange dar. Wenn eine Nachricht mit einem entsprechenden Schlüssel ankommt, wird diese gleich an die verknüpfte Warteschlange zugestellt.
  • Fanout –> Wird für sogenannte Broadcast Nachrichten verwendet. Die Nachricht wird von der Börse an alle angeschlossenen Warteschlangen zugestellt
  • Topic –> Wird für Publish/Subscribe Szenarien verwendet. Die Nachrichten werden an eine oder mehrere Warteschlangen ausgeliefert, abhängig vom Binding Key. Folgendes Bild von RedHat veranschaulicht das sehr schön.

    https://access.redhat.com/documentation/en-US/Red_Hat_Enterprise_MRG/2/html-single/Messaging_Programming_Reference/index.html
  • Headers –> Die Zustellung der Nachricht zur Warteschlange erfolgt hier über den Nachrichten-Header und nicht den Routing Key. Es ist vergleichbar mit dem Direct Routing – nur mit etwas mehr Möglichkeiten zur Regelerstellung.

Neben den Austauschformaten gibt es eine Reihe von Attributen für die Nachrichten. Die wichtigsten sind:

  • Name
  • Durability (gibt an, ob die Börse einen Neustart des Broker übersteht)
  • Auto-delete (Börse wird gelöscht, wenn keine Warteschlange diese benötigt)

AMQP vs. MQTT im Vergleich

Der größte Unterschied der beiden Protokolle besteht in den Möglichkeiten für die Nachrichtenzustellung. Während MQTT ausschließlich auf Publish/Subscribe basiert, lassen sich mit AMQP auch andere Zustellungsformen realisieren.

Außerdem ist der Unterschied bei der Implementierung nicht zu unterschätzen. MQTT ist mit seinen 5 Methoden relativ schnell und einfach umzusetzen, während AMQP schon einen vergleichsweise großen Umfang mit sich bringt. Das betrifft sowohl die Definition des eigenen Protokoll wie auch die Implementierung und Test.

Die kleinste Paketgröße bei AMQP ist mit 60 Byte auch nicht zu vernachlässigen. MQTT begnügt sich im besten Fall mit 2 Byte. Das beeinflusst insbesondere bei einer großen Zahl von Geräten und Nachrichten den aufzuwendenden Aufwand erheblich. Dazu kommen größer Laufzeiten der Pakete die je nach Anwendungsfall auch kritisch zu betrachten sind.

Es gilt also abzuwägen, ob der Funktionsumfang von AMQP im jeweiligen Anwendungsfall wirklich benötigt wird oder nicht. Wenn man mit dem Publish/Subscribe Model von MQTT auskommen kann, hat man in jedem Fall eine einfacher umzusetzende und auch ressourcenschonende Lösung.

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