MQTTプロトコルとは?httpとの違いと、IoTとの関係を解説
IoTデバイスやシステムが流行し、話題になることも多く、IoTなどでよく使用される「MQTTプロトコル」を耳にする機会が増えてきているかと思います。
今回は「MQTTとは何か」「httpとの違い」「IoTになぜMQTTが利用されるのか」について解説していきます。[記事一覧]
MQTTプロトコルとは？
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）プロトコルは、軽量なメッセージングプロトコルの一種で、IoTデバイスやアプリケーション間での通信によく使用されます。
MQTTは「Pub/Subモデル」に基づいており、メッセージの送信元である[Publisher]と、メッセージを受信するクライアントとなる[Subscriber]が存在し、[Broker]と呼ばれる中継サーバーがPublisherから受信したメッセージをSubscriberに転送する役割を担います。
MQTTプロトコルの特徴
MQTTは各種プログラム言語で実装されていることから、多くのクラウドサービスやデバイスで利用されています。
高速かつ軽量という特徴があり、一般的なWebプロトコルであるHTTPと比較しても、MQTTはリアルタイム性が高く、低コストでの通信が可能です。
そのため、IoTやM2M通信、センサーネットワークなどのシステム、製品でよく利用されます。
下記がMQTTの、メリットを含めた主な特徴です。
- 軽量であるため、低帯域幅環境でも高速に通信可能
- ネットワーク接続が切れた場合、再接続した際に過去のメッセージを受信可能（QoSレベル1, 2）
- セキュリティ機能が充実しているため、安全な通信が可能
- 多くのIoTデバイスやアプリケーションでサポートされているため、相互運用性が高い
MQTTプロトコルの通信方式
MQTTは、Pub/Subモデルによる非同期通信によって、IoTやM2M通信などの分野で広く使用されています。
- パブリッシュ/サブスクライブ方式(Pub/Sub)
「パブリッシュ/サブスクライブ方式」(Pub/Sub)では、メッセージの送信元はトピックを指定してメッセージをパブリッシュします。
一方、受信側はトピックにサブスクライブして、メッセージを受信します。この方式は、メッセージの送信元や受信先を明示的に指定せずに、トピックに基づいて通信を行うため拡張性が高く、複数の受信側に対しても効率的にメッセージを送信できます。
- PublisherがBrokerにメッセージを送信する。
- Brokerがメッセージを受信し、登録されたSubscriberにメッセージを送信する。
- Subscriberがメッセージを受信し、必要に応じて処理を行う。
Pub/Sub方式は非同期通信であり、PublisherとSubscriberはお互いを意識する必要がないという点が特徴です。Brokerがメッセージの配信を制御するため、PublisherとSubscriberは分離された状態で存在できるため、IoTデバイスなどで使用されます。
ちなみにMQTTプロトコルではTCP/IPを使用して通信を行い、WebSocketなどの技術を使用することで、WebブラウザからもMQTTプロトコルを利用することが可能です。
MQTTが今注目されているのは何故？
MQTTという一般的に認知度の低いプロトコルですが、なぜ今注目が集まっているのでしょうか。
その理由は「IoT市場の拡大」と「MQTTの柔軟性や拡張性の高さ」にあります。
近年IoT市場は急速に拡大しており、IoTデバイスの数や種類も増加していることから、IoTシステムにおけるデータ収集や制御に必要な、メッセージングの重要性が高まっています。
そのため、IoTデバイス間の効率的な通信手段が必要になっていることから「軽量で低帯域幅環境でも高速に通信できるMTQTT」の需要や注目度が高くなっています。
さらに、MQTTはオープンソースであることから、多くのベンダーが実装を提供しています。そのため、システムの拡張性や柔軟性を高めることができます。
これらの理由から、MQTTプロトコルは、IoTシステムにおいて注目され、採用されることが増えていると言えます。
MQTTとHTTPとの違い
下記の5点のようにMQTTとHTTPは明確な違いがあります。
異なる通信方式や最適な分野を持っており、プロトコルの性質も異なってるため、HTTPとMQTTどちらのプロトコルを利用するかは、用途や要件に応じて選択する必要があります。
MQTTとHTTPとの違い① 通信方式
MQTTは軽量なメッセージングプロトコルであり「Publish/Subscribeモデル」に基づいています。
一方、HTTPは「クライアント/サーバーモデル」に基づいており「リクエスト/レスポンス方式」で通信するため通信方式が異なります。
MQTTとHTTPとの違い② メッセージングの方法・性質
MQTTは非同期的であるため、データの送信元が受信先の状態を気にせずメッセージを送信します。
HTTPは同期的であるため、リクエストを送信し、レスポンスが返ってくるまで待機する。といったような違いがあります。
MQTTとHTTPとの違い③ 主な適用分野
特徴からMQTTはIoTやM2M通信など、デバイス間通信に適したプロトコルです。
HTTPはWebアプリケーションやAPI通信など、人間と機器(システム)の間での通信に適したプロトコルです。
MQTTとHTTPとの違い④ プロトコルのヘッダーサイズ
MQTTプロトコルはデータ量を削減するために最適化されていることからヘッダーサイズが、[2バイト]の固定ヘッダーと可変長ヘッダーで構成されており、非常に小さいです。
HTTPはテキストベースのプロトコルであるため、ヘッダーサイズが大きくなる傾向があります。
MQTTとHTTPとの違い⑤ セキュリティ(暗号化・認証)
MQTTには、データの暗号化や認証に対応する機能があります。
HTTPは暗号化を行えず、HTTPSを利用することでデータの暗号化や認証を行うことができます。
MQTTのメリット・デメリット
以上のMQTTの特徴を踏まえるとメリット・デメリットは以下のようになります。
【メリット】
- 軽量であるため、低消費電力のIoTデバイスでも利用可能。
- ブローカーを介してメッセージングを行うため、スケーラビリティが高く、大規模なシステムでも利用可能。
- ネットワーク帯域幅の制限がある場合でも、MQTTプロトコルにより効率的にメッセージングが可能。
- メッセージングにおいてQoS(品質保証)の設定が可能であるため、信頼性の高い通信が可能。
【デメリット】
- HTTPプロトコルのように一般的なウェブブラウザーを介して利用できないため、特定のアプリケーションでのみ利用可能。
- HTTPプロトコルと比較して拡張性が低く、都度新しいバージョンをリリースする必要がある。
- ブローカーに依存するため、信頼性や可用性がブローカーに依存する。
MQTTプロトコルを使用したIoTシステムの例
最後にMQTTを実際に使用しているIoTデバイス・システムの例を紹介します。
1.スマートホームシステム
スマートホームデバイス(センサーやアクチュエーター)は、MQTTプロトコルを使用してホームオートメーションシステムに接続されます。
これにより、デバイスから収集された情報（温度、湿度、照度、セキュリティカメラなど）を中央のコントロールシステムに送信し、リアルタイムで制御することが可能です。
2.産業制御システム
工場に設置されている機械や装置などのIoTデバイスは、MQTTプロトコルを使用して制御システムに接続されていることが多いです。
このような機器を制御するシステムでは、異常が発生した場合にリアルタイムでアラートを発行することが可能です。
3.車載システム
自動車のIoTデバイスは、MQTTプロトコルを使用して、車載システムに接続されます。
これにより、エンジンの状態、速度、車両位置などの情報を中央の制御システムに送信し、制御することが可能です。
4.農業システム
農業用IoTデバイスは、MQTTプロトコルを使用して、取得したセンサーデータを中央のシステムに送信します。
農業システムでは、土壌の湿度、温度、光量などを計測し、農業の効率を向上させることが可能です。
5.医療システム
医療用IoTデバイスは、MQTTプロトコルを使用して、患者の体温や心拍数などの健康状態を中央のシステムに送信することで、患者の状態をリアルタイムでモニタリングし、適切な治療を行うことが可能です。
