Введение

Примечание: данная статья является переводом с дополнительными мыслями автора

MQTT (Message Queue Telemetry Transport) — легковесный протокол обмена сообщениями для публикации/подписки сообщений, на настоящий момент этот протокол является основным стандартом в Интернете Вещей (IoT). Брокер MQTT — главный узел (серверное ПО) для подключения IoT устройств и обмену сообщений между ними. На текущий момент доступно более 20 брокеров MQTT с исходным кодом, что затрудняет выбор архитекторами и разработчиками программного обеспечения. В статье будут рассмотрены и сравнены некоторые из самых популярный MQTT-брокеров.

Критерий оценки: сообщество и популярность

Для сравнения MQTT брокеров с открытым исходным кодом будем учитывать следующие критерии оценки:

• Сообщество: оцениваем по количеству звёздочек, числу авторов  и закрытых проблем в репозиториях GItHub (или другой площадке);

• Популярность: оцениваем по числу скачиваний из репозитория, пользовательской базе и числу установок из docker репозитория;

• Активность: оценка по числу коммитов, пулл-реквестов и релизов за последние 12 месяцев.

Основываясь на этих критериях, были выбраны четыре популярных брокера MQTT с открытым исходным кодом:

• EMQX — самый популярный брокер MQTT с 11,4 тысячами звёзд на GitHub;

• Mosquitto — второй по популярности брокер, имеет самое большое число установок и пользователей:

• NanoMQ — новейший и набирающий популярность брокер MQTT, очень легковесный, переносимый и написан на языке C;

• VerneMQ — третий по количеству звёзд брокер MQTT на GitHub.

Сводная таблица сравнения этих брокеров:

Приступаем к сравнению

EMQX

EMQX — является одним из самых популярных брокеров MQTT и имеет 11,5 тыс. звезд на GitHub. Проект EMQX был запущен в 2012 году и распространяется по лицензии Apache 2.0. EMQX написан на языке Erlang / OTP, том самом знаменитом языке программирования для создания масштабируемых программных систем реального времени.

EMQX — самый масштабируемый в мире брокер MQTT на кластерной основе, который поддерживает расширяемость с помощью плагинов, использует протоколы MQTT 3.1, MQTT 5.0, MQTT-SN и MQTT поверх QUIC. Он поддерживает кластеризацию без мастера для обеспечения высокой доступности и горизонтальной масштабируемости. EMQX 5.0, последняя версия, может обслуживать до 100 миллионов одновременных подключений MQTT только с помощью одного кластера состоящего из 23 узлов.

EMQX также предлагает расширенные корпоративные функции, размещение в облачном хостинге, платную поддержку от компании EMQ Technologies Inc. EMQX завоевал популярность среди различных предприятий, стартапов и частных пользователей благодаря своей высокой производительности, масштабируемости и высокой надёжности. Он распространён среди критически важных для бизнеса отраслях, в таких как Индустриальный Интернет Вещей (Industry IoT), умный дом, автомобильная отрасль, производственные предприятия, телекоммуникации.

Официальный сайт проекта: https://www.emqx.io /

GitHub: https://github.com/emqx/emqx

Достоинства брокера EMQX:

• Поддерживает крупномасштабные развертывания

• Высокая доступность

• Горизонтальная масштабируемость

• Высокая производительность и низкая задержка

• Богатые корпоративные возможности

• Поддержка протокола MQTT over QUIC

Недостатки:

• Сложный в настройке

• Сложно эффективно управлять (требуется DevOPS)

Mosquitto

Проект Mosquitto разработан Роджером Лайтом в 2009 году, а позже передан на поддержку в Eclipse Foundation, имеет лицензию Eclipse (EPL / EDL license). По состоянию на март 2023 года это самый широко распространенный брокер MQTT с открытым исходным кодом и с большим сообществом и более чем 7 тыс. звезд на GitHub.

Mosquitto написан на языках программирования C / C ++ и использует однопоточную архитектуру (это его главный недостаток). Mosquitto реализует протоколы MQTT версий 5.0, 3.1.1 и 3.1 и поддерживает защищённые соединения SSL / TLS и поддержку веб сокетов. Легкий дизайн Mosquitto делает его подходящим для развертывания во встраиваемых системах или на серверах с ограниченными ресурсами.

Mosquitto имеет небольшой размер около 200 кб. Однако он не поддерживает многопоточность и тем более нет возможности развёртывания на кластере, но Mosquitto доступен для различных платформ, включая Linux, FreeBSD, Windows и macOS.

Официальный сайт проекта: https://mosquitto.org /

Исходный код на GitHub: https://github.com/eclipse/mosquitto

Достоинства:

• Простота настройки и использования

• Поддержка протокола MQTT 5.0

• Легковесный, малое потребление памяти

• Активная поддержка сообществом

Недостатки:

• Однопоточная архитектура

• Ограниченная масштабируемость в продакшне ( <100 тыс.)

• Нет поддержки кластеризации

• Отсутствуют корпоративные функции

• Ограниченная поддержка в облаке

NanoMQ

NanoMQ, проект с открытым исходным кодом, выпущенный в 2020 году, представляет собой легкий и быстрый брокер MQTT, разработанный для вычислительных сценариев Интернете вещей (IoT).

NanoMQ реализован полностью на языке C, использует библиотеку асинхронного программирования NNG и с многопоточной акторной моделью. Брокер полностью поддерживает версии протоколов MQTT 3.1.1, MQTT 5.0 и поддерживает MQTT over QUIC.

NanoMQ отличается малым размером и высокой производительностью, что делает его подходящим для различных периферийных вычислительных платформ (Edge). Он обладает высокой совместимостью и переносимостью, использует исключительно стек POSIX API. Это упрощает развертывание на любой платформе, совместимой с POSIX (Linux, *BSD, MacOS X), и бесперебойно работает на различных архитектурах процессоров, включая x86_64, ARM, MIPS и RISC-V (теперь ещё и E2K).

Примечание: автором проверена сборка и функционирование на компьютерах с процессорами Эльбрус.

Официальный сайт проекта: https://nanomq.io /

Исходный код на GitHub: https://github.com/nanomq/nanomq

Достоинства

• Простая архитектура

• Поддержка многопоточности и асинхронного ввода-вывод

• Высокая переносимость

• Малый объем загрузки

• Простота развертывания

• Поддержка сетевых мостов без посредников

Недостатки

• Нет поддержки кластеризации

• Небольшое сообщество и база пользователей

• Отсутствие документации и руководств

• Отсутствие корпоративных функций (интеграция данных)

VerneMQ

Проект VerneMQ был запущен в 2014 году и изначально разработан Erlio GmbH. Проект распространяется по лицензии Apache версии 2.0. Он поддерживает MQTT версий 3.1, 3.1.1 и 5.0. Написан на языке Erlang / OTP, и заимствует некоторый код из проекта EMQX.

Что касается архитектурного дизайна, VerneMQ предназначен для обработки миллионов одновременных подключений и сообщений с низкой задержкой и высокой пропускной способностью. Он поддерживает хранение сообщений MQTT в LevelDB и использует архитектуру кластеризации, основанную на библиотеке Plumtree, которая реализует алгоритм деревьев рассылки Epidemic.

К сожалению, кластерная архитектура Plumtree не доказала свою эффективность, хотя теоретически она казалась идеальной. Команда и сообщество VerneMQ потратили много лет, пытаясь заставить его работать, устраняя такие проблемы, как разделение сети, несогласованность данных и аварийное восстановление.

Наконец, проект перестал активно разрабатываться и поддерживаться, за последние 12 месяцев было зафиксировано всего около 50 коммитов.

Официальный сайт проекта: https://www.vernemq.com /

GitHub репозиторий: https://github.com/vernemq/vernemq

Достоинства:

• Высокая доступность

• Горизонтальная масштабируемость

• Сохранение сообщений

Недостатки:

• Не проверенная кластеризация

• Ограниченная документация

• Ограниченные возможности предприятия

• Не активно развивается

Масштабируемость, производительность и надежность

Критерии оценки масштабируемости, надёжности и производительности:

• Масштабируемость: может ли брокер масштабироваться горизонтально для обработки миллионов одновременных подключений MQTT

• Доступность: Поддерживает ли брокер высокую доступность для критически важных приложений

• Производительность: сколько сообщений MQTT в режимах QoS 0/1/2 в секунду может отправлять и доставлять брокер;

• Задержка: насколько быстро брокер может отправлять и доставлять сообщения MQTT от одного клиента MQTT другому

• Надежность: поддерживает ли брокер сохранение и доставку сообщений MQTT без потери данных

Ниже приведен краткий анализ четырех брокеров MQTT:

Протокол MQTT и способы соединения

Все представленные брокеры полностью реализуют протокол MQTT версий 3.1.1 и 5.0 и поддерживают MQTT через WebSocket и шифрование с SSL/ TLS. Кроме того, EMQX поддерживает шлюзы протоколов MQTT-SN, CoAP и LwM2M. NanoMQ поддерживает режим без брокеров и может работать с DDS, ZeroMQ и Nanomsg.

EMQX и NanoMQ взяли на себя обязательство продвигать стандарт MQTT over QUIC. Они являются пионерами в реализации MQTT over QUIC, протокола MQTT следующего поколения, который направлен на дальнейшую оптимизацию взаимодействия IoT.

Безопасность, аутентификация и авторизация

Безопасность имеет решающее значение для подключения устройств Интернета вещей и обмена данными между подключенными устройствами с использованием брокеров MQTT (основные уязвимости в IoT связаны с отсутствием аутентификации и авторизации). Все сравниваемые брокеры поддерживают безопасные соединения на основе протокола TLS / SSL, а также простой механизм аутентификации и авторизации по логину и паролю, аутентификацию по JWT, сертификаты X.509 и спискам контроля доступа.

EMQX предлагает расширенные функции безопасности, такие как интеграция с внешними базами данных (хранение аккаунтов), OCSP, политики контроля доступа, обнаружение сбоев и поддержка авторизации по протоколу OAuth 2.0.

Интеграция с хранилищами данных

Все брокеры поддерживают интеграцию с внешними сервисами с использованием REST API и веб-хуки. Как легковесные брокеры, Mosquitto и NanoMQ не поддерживают интеграцию с хранилищами данных. Разработчики могут писать код с использованием брокера Mosquitto и самим передавать их во внешние базы данных или облачные сервисы.

EMQX реализует встроенный механизм правил на основе SQL, помогающий извлекать, фильтровать, обогащать и преобразовывать сообщения MQTT в брокере в режиме реального времени. И корпоративной версии EMQX могут легко интегрироваться с Kafka, базами данных и облачными сервисами с использованием готовых мостов передачи данных.

Таблица сравнения с поддерживаемыми провайдерами хранения данных:

Работоспособность, мониторинг и совместимость

Каждый брокер удобен в использовании и оснащен необходимыми функциями ведения журнала и отладки для мониторинга их состояния и эффективного устранения неполадок. Они могут работать в различных операционных системах и общедоступных облачных платформах. Кроме того, EMQX обладает отличной поддержкой Kubernetes Operator и Terraform.

Кроме того, EMQX предоставляет широкие возможности визуального мониторинга через HTTP API и панель мониторинга, упрощая мониторинг и управление. Кроме того, EMQX поддерживает интеграцию с Prometheus и Grafana, позволяя командам легко использовать платформы мониторинга сторонних производителей.

Финальное сравнение

Сводная таблица сравниваемых брокеров MQTT по всем критериям:

Заключение

За последнее десятилетие брокеры MQTT с открытым исходным стали основным инструментом для построения Интернета вещей. Эти брокеры сыграли значительную роль в улучшении функциональности, масштабируемости и переносимости протокола обмена сообщениями MQTT. Без этого вклада MQTT, возможно, не стал бы таким широко распространенным и универсальным, как сегодня.

Выбор брокера MQTT зависит от различных факторов, таких как количество подключенных устройств, пропускная способность сообщений и требования к интеграции. Из сравнения мы можем сделать вывод, что EMQX - это высокомасштабируемый брокер корпоративного уровня для крупномасштабных критически важных развертываний в облаке. Mosquitto и NanoMQ быстрые и легкие, что делает их подходящими для развертывания на встраиваемом оборудовании с ограниченными ресурсами, промышленных шлюзах и Edge- серверах Интернета вещей.

Будущее IoT

C быстрым расширением Интернета вещей количество подключенных устройств, по различным прогнозам, превысит 100 миллиардов к 2030 году. В результате протокол MQTT может стать еще более незаменимым и потенциально может стать нервной системой Интернета вещей.

В настоящее время в  разработке находится несколько технологий, такие как MQTT over QUIC, MQTT Serverless, MQTT Unified Namespace и многие другие. 

Ссылки

[1] Оригинал статьи

[2] Comparsion of MQTT implementations

[3] Stress-Testing MQTT Brokers: A Comparative Analysis of Performance Measurements

[4] https://github.com/krylovsk/mqtt-benchmark

[5] EntityFX MQS Simulator