Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)

Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) is een lightweight messaging protocol (lichtgewicht berichtenprotocol) dat speciaal is ontworpen voor machine-to-machine communicatie in omgevingen met beperkte bandbreedte en onbetrouwbare netwerkverbindingen.

Protocol vs Broker MQTT is het protocol, niet de broker. Een broker is slechts één component binnen de grotere MQTT-architectuur, net zoals UNS geen broker is maar een fabric (weefsel) of architectuur voor het organiseren van industriële data.

Definitie

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) is een lightweight, publish/subscribe messaging protocol (lichtgewicht publiceer/abonneer berichtenprotocol) uitgevonden in 1999 door Andy Stanford-Clark (IBM) en Arlen Nipper (Cirrus Link). Het werd gecreëerd om het specifieke en kostbare probleem op te lossen van het monitoren van oliepijpleidingen en afgelegen industriële apparatuur via onbetrouwbare satellietverbindingen. Door gebruik te maken van een report by exception model (rapportage bij uitzondering model), verzonden apparaten alleen data wanneer er veranderingen optraden, wat de satelliet bandbreedte kosten drastisch reduceerde.

MQTT is sindsdien geëvolueerd tot een breed geaccepteerd protocol voor IoT, industriële automatisering en enterprise messaging (bedrijfsberichten), ondersteund door meerdere versies en uitbreidingen.

Geschiedenis & Tijdlijn

1999 — Uitgevonden voor oliepijplijn monitoring via satelliet (IBM + Cirrus Link)
2010 — Breed geaccepteerd in IoT onderzoek en hobbyprojecten
2013 — Gestandaardiseerd door OASIS als open protocol
2014 — MQTT 3.1.1 uitgebracht (stabiel, minimale featureset)
2016–2017 — Sparkplug A, daarna Sparkplug B geïntroduceerd voor industriële OT
2019 — MQTT 5.0 uitgebracht (enterprise-gerichte verbeteringen)
2020s — Unified Namespace (UNS) patronen ontstaan, gebruikmakend van MQTT als transport fabric

[]

Waarom MQTT bestaat

Traditionele communicatieprotocollen zoals HTTP en directe device polling (apparaat polling) lijden onder beperkingen in IoT en industriële contexten:

Always-on connections (Altijd-aan verbindingen): Apparaten moeten constant pollen
High overhead (Hoge overhead): Verbinding setup en headers verbruiken bandbreedte
Client-server coupling (Client-server koppeling): Apparaten moeten specifieke endpoints kennen
No real-time push (Geen real-time push): Servers kunnen geen communicatie initiëren
Bandwidth waste (Bandbreedte verspilling): Polling verspilt netwerkbronnen
Scalability issues (Schaalbaarheids problemen): Elke consumer vereist aparte polling verbindingen
Network inefficiency (Netwerk inefficiëntie): Meerdere clients pollen dezelfde bron

MQTT lost deze problemen op door producers en consumers te ontkoppelen via een broker die berichten routeert via topics (onderwerpen).

Hoe MQTT werkt

Kernarchitectuur:

Publisher (Uitgever) → MQTT Broker → Subscriber(s) (Abonnee(s))

Kernconcepten:

Publishers sturen berichten naar topics
Subscribers ontvangen berichten van geabonneerde topics
Broker handelt routing en delivery (levering) af
Publishers en subscribers communiceren nooit direct

Topics (Onderwerpen): Hiërarchische kanalen zoals:

factory/line1/temperature
factory/line1/pressure
factory/line2/temperature

QoS Levels (QoS Niveaus):

QoS 0 – “Fire and forget” (vuur en vergeet), geen garantie
QoS 1 – “At least once” (ten minste eenmaal), kan duplicaten leveren
QoS 2 – “Exactly once” (exact eenmaal), hoogste garantie en overhead

Andere Features:

Retained Messages (Behouden berichten): Broker bewaart laatste bericht voor nieuwe subscribers
Last Will & Testament (LWT): Bericht verzonden als client onverwacht disconnecteert
Session Persistence (Sessie persistentie): Hervat subscriptions na reconnectie
Keep Alive: Detecteert verbroken verbindingen

MQTT Voordelen

Voor IoT/Industriële Toepassingen

Bandbreedte efficiënt: 2-byte header
Decoupled architecture (Ontkoppelde architectuur): Publishers hoeven subscribers niet te kennen
Real-time push: Directe berichtlevering bij data veranderingen
Network resilience (Netwerk veerkracht): Ontworpen voor onbetrouwbare netwerken

Voor Schaalbaarheid

Many-to-many communicatie: Meerdere publishers kunnen meerdere subscribers voeden
Topic-based routing: Fijnmazige controle over wie welke data krijgt
Broker clustering: Horizontale schaalbaarheid voor enterprise deployments

Voor Betrouwbaarheid

QoS levels: Keuze van juiste delivery guarantees (leveringsgaranties)
Retained messages: Behouden berichten
Session persistence: Sessie persistentie
Keep alive mechanism: Keep alive mechanisme

MQTT Versies

MQTT 3.1.1 (2014)

Stabiele en breed geaccepteerde versie De stabiele en breed geaccepteerde versie die de basis werd voor de meeste IoT implementaties.

Kenmerken:

Eenvoudig, bewezen protocol
Brede industriële ondersteuning
Minimale featureset gefocust op core messaging (kernberichten)
Specificatie ~80 pagina’s

MQTT 5.0 (2019)

Enhanced versie Enhanced versie die enterprise features en verbeterde schaalbaarheid toevoegt.

Belangrijke verschillen:

1. Enhanced Error Handling (Verbeterde Foutafhandeling)

MQTT 3.1.1: Basis return codes, beperkte error informatie
- CONNACK: 0=Success, 1=Unacceptable protocol, 2=Identifier rejected…
MQTT 5.0: Gedetailleerde reason codes en menselijk leesbare error strings
- CONNACK: 0x80=Unspecified error, 0x81=Malformed packet, 0x82=Protocol error…
- Optionele reason string, bijvoorbeeld “Invalid client certificate”

2. User Properties (Gebruikerseigenschappen)

MQTT 3.1.1: Geen custom metadata ondersteuning
MQTT 5.0: Key-value pairs voor custom metadata
Voorbeeld:

[
  {"deviceType": "temperature_sensor"},
  {"location": "Building_A_Floor_2"},
  {"firmwareVersion": "1.2.3"}
]

3. Message Expiry (Bericht Vervaltijd)

MQTT 3.1.1: Berichten leven voor altijd (tot geleverd)
MQTT 5.0: Tijdgebaseerde message expiration
Voorbeeld: Expiry interval = 3600 seconden (bericht weggegooid als niet geleverd binnen 1 uur)

4. Request/Response Pattern

MQTT 3.1.1: Alleen publish/subscribe (geen native request/response)
MQTT 5.0: Ingebouwde request/response ondersteuning
- Request Topic: device/command
- Response Topic: device/response/client123
- Correlation Data: request_id_456

5. Shared Subscriptions (Gedeelde Abonnementen)

MQTT 3.1.1: Alle subscribers ontvangen alle berichten
MQTT 5.0: Load balancing tussen subscriber groepen
- Normaal: factory/sensors → alle subscribers krijgen alle berichten
- Shared: $share/workers/factory/sensors → berichten gedistribueerd tussen groep

6. Topic Aliases (Onderwerp Aliassen)

MQTT 3.1.1: Volledige topic naam opgenomen in elk bericht
MQTT 5.0: Numerieke aliassen reduceren bandbreedte
Voorbeeld: Eerste bericht → Topic=factory/line1/temperature/sensor1, Alias=1
- Vervolgberichten → Topic=leeg, Alias=1

7. Flow Control (Stroomcontrole)

MQTT 3.1.1: Basis flow control via QoS
MQTT 5.0: Geavanceerde flow control mechanismen
- Receive Maximum: Beperkt gelijktijdige QoS 1 & 2 berichten
- Maximum Packet Size: Voorkomt oversized berichten

8. Enhanced Authentication (Verbeterde Authenticatie)

MQTT 3.1.1: Eenvoudige username/password alleen
MQTT 5.0: Enhanced authentication methoden
- Method: SCRAM-SHA-256
- Authentication Data
- Ondersteuning voor OAuth, Kerberos, etc.

Wanneer welke versie gebruiken

Kies MQTT 3.1.1 wanneer:

Je een eenvoudig, bewezen protocol nodig hebt met brede industriële ondersteuning
Je use case alleen basis messaging features vereist
Resource-constrained devices (resource-beperkte apparaten) gebruikt worden waar minimale overhead essentieel is
Je een lightweight specificatie (80 pagina’s) wilt gefocust op core messaging

Kies MQTT 5.0 wanneer:

Je advanced error handling en diagnostics nodig hebt
Je custom metadata wilt toevoegen aan berichten via user properties
Je message expiry of request/response patterns vereist
Je shared subscriptions nodig hebt voor load balancing
Je topic aliases wilt voor bandbreedte reductie
Je flow control en limieten nodig hebt voor concurrent message handling (gelijktijdige berichtafhandeling)
Je enhanced authentication methoden vereist zoals OAuth, Kerberos, of SCRAM-SHA-256

Sparkplug B (2017)

Industriële specificatie Specificatie bovenop MQTT voor industriële procescontrole.

Kenmerken:

Gestandaardiseerde topic namespace
Protobuf payload encoding (Protobuf payload codering)
Continue session state (birth/death certificates, sequence numbers)
Best geschikt voor OT device-level data

Toepassingen

Industrial Telemetry (Industriële Telemetrie): PLC/RTU communicatie, SCADA links
Remote Monitoring (Remote Monitoring): Pijpleidingen, utilities, infrastructuur
IoT Devices: Sensor netwerken, edge devices
Enterprise Messaging: Integratie van IT en OT data flows
Analytics: Real-time data voeden naar machine learning pipelines
UNS: Gebruikt als transport fabric binnen een Unified Namespace

Vergelijkingstabel

Feature	MQTT 3.1.1	MQTT 5.0	Sparkplug B
Error Handling	Basis return codes	Gedetailleerde reason codes	Hetzelfde als 5.0
User Properties	Geen	Key-value metadata	Gestructureerde Protobuf
Message Expiry	Geen	Tijdgebaseerde expiry	Continue session awareness
Request/Response	Niet native	Ondersteund	Niet native (afgehandeld via payloads)
Shared Subscriptions	Geen	Load-balanced groepen	Geen (Sparkplug gebruikt topic hierarchy)
Topic Aliases	Geen	Numerieke aliassen	Gestructureerde namespace
Flow Control	Alleen basis QoS	Receive Max, Packet Size	QoS + session awareness
Authentication	Username/password	Enhanced (SCRAM, OAuth, Kerberos)	Hetzelfde als 5.0 + lifecycle awareness
State Management	Geen	Beperkt	Birth/Death, Sequence, State

Rol in Unified Namespace (UNS)

UNS is geen broker UNS is geen broker. Het is een architecture fabric voor contextuele, stateful data uitwisseling.

Een broker is slechts één component binnen de UNS

MQTT 3, 5, en Sparkplug bevatten allemaal data quality, waardoor stale values (verouderde waarden) gedetecteerd kunnen worden

UNS = State (status); een historian slaat state over tijd op

Pattern (Patroon): Gebruik Sparkplug alleen voor device-level messaging → Parse Sparkplug naar flat MQTT zodra opgenomen in de UNS (kan gedaan worden met HiveMQ modules).

Topic Namespace Structure

Company/Site/Area/Line/Asset/DataType/Parameter
VanEnkhuizen/Rotterdam/Productie/Lijn1/Oven001/Temperature/Actual
VanEnkhuizen/Rotterdam/Productie/Lijn1/Oven001/Status/Operational

UNS Data Architecture

Topic namespace als backbone van UNS
Event-driven updates voor real-time data synchronization
Retained messages voor current state representation
Wildcard subscriptions voor flexible data consumption

Sparkplug B Integration

Quality Information MQTT 3.1.1, 5.0 en Sparkplug B dragen allemaal quality information mee met het bericht, waardoor het eenvoudig wordt om stale values te detecteren.

Sparkplug en Device Data:

Sparkplug B is meest nuttig op device level voor data en control
Zodra data de UNS bereikt, kunnen Sparkplug payloads geparsed worden naar flat MQTT topics voor bredere consumptie
Deze parsing is eenvoudig - bijvoorbeeld met een simpele HiveMQ module om automatisch Sparkplug B (spB) om te zetten naar flat MQTT references

Praktische Benadering

Gebruik Sparkplug B alleen waar het het sterkst is:

Device en edge-level communicatie
Lifecycle state management (birth/death certificates)
Gestandaardiseerde metric payloads

Transformeer Sparkplug naar flat MQTT op de UNS boundary om:

References te vereenvoudigen
Accessibility (toegankelijkheid) te verbeteren voor non-Sparkplug-aware consumers
State te behouden terwijl flexible downstream usage mogelijk wordt

Sparkplug Specification

MQTT Sparkplug extends basic MQTT voor industriële UNS:

spBv1.0/group_id/message_type/edge_node_id/device_id
spBv1.0/ACME/DDATA/ProductieLijn_A/Oven_1

Sparkplug benefits:

Standardized payload format (Protobuf)
Birth/Death certificates voor session management
Timestamp synchronization voor temporal accuracy
Data type definitions voor semantic interoperability

MQTT Viewer Tools (Open Source)

MQTT Explorer — Cross-platform MQTT client met gestructureerde topic tree view
MQTTX — Krachtige en moderne MQTT 5.0 desktop client
MQTTLens — Chrome extensie voor snelle MQTT testing
Mosquitto Clients — Onderdeel van het Eclipse Mosquitto project (CLI-based)
HiveMQ MQTT Client — Java-gebaseerde open-source client library

Performance Karakteristieken

Throughput Capabilities

Hoge message throughput (>100k messages/second)
Low latency communication (<10ms typical)
Efficient bandwidth usage door protocol optimization
Scalable connection management (thousands of concurrent clients)

Resource Efficiency

Minimal memory footprint op embedded devices
Low CPU usage voor protocol processing
Battery-friendly voor wireless IoT devices
Bandwidth efficient voor cellular/satellite connections

Diagrammen

sequenceDiagram
    participant Publisher
    participant Broker
    participant Subscriber

    Publisher->>Broker: Publish(topic, message)
    Broker->>Subscriber: Forward message

graph TD
  A[Device/PLC] -->|Sparkplug| B[Edge Node]
  B -->|MQTT| C[Broker]
  C -->|Flat MQTT| D[Unified Namespace]
  D -->|Consumers| E[SCADA/Analytics/ML]

Gerelateerde begrippen

Broker: EMQX, Mosquitto, HiveMQ, VerneMQ
QoS Levels
Report by Exception
Unified Namespace (UNS)
SCADA integration
Protobuf encoding (gebruikt in Sparkplug B)
Edge Node vs Device
Topic namespace
Event-gedreven architectuur
MQTT-broker
Subscribe messaging
Internet of Things (IoT)
Industrial Internet of Things (IIoT)
Event broker
Sparkplug B

Bronnen

MQTT Version 5.0 Specification (OASIS Standard)\n- MQTT Sparkplug Specification v3.0\n- Eclipse Mosquitto - Open source MQTT broker\n- Eclipse Paho - MQTT client libraries\n- HiveMQ - Enterprise MQTT platform documentation\n- AWS IoT Core - MQTT service documentation\n- Industrial Internet Consortium MQTT best practices

← Terug naar Industriële communicatieprotocollen kaart

Kompas

Verkenner

Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)

Definitie

Geschiedenis & Tijdlijn

Waarom MQTT bestaat

Hoe MQTT werkt

MQTT Voordelen

Voor IoT/Industriële Toepassingen

Voor Schaalbaarheid

Voor Betrouwbaarheid

MQTT Versies

MQTT 3.1.1 (2014)

MQTT 5.0 (2019)

Wanneer welke versie gebruiken

Sparkplug B (2017)

Toepassingen

Vergelijkingstabel

Rol in Unified Namespace (UNS)

Topic Namespace Structure

UNS Data Architecture

Sparkplug B Integration

Praktische Benadering

Sparkplug Specification

MQTT Viewer Tools (Open Source)

Performance Karakteristieken

Throughput Capabilities

Resource Efficiency

Diagrammen

Gerelateerde begrippen

Bronnen

Grafiekweergave

Inhoudsopgave

Backlinks