Pub/Sub for the masses- Ein Einführungsworkshop in MQTT [GERMAN]

PUB / SUB for the masses
An Introduction to MQTT
#IotCon Workshop

2
EINFÜHRUNG - VORSTELLUNG
Christian Götz Dominik Obermaier
CEO @ dc-square CTO @ dc-square
@goetzchr @dobermai

Beginn Q&A
3
EINFÜHRUNG - AGENDA
Kurze Einführung
in MQTT
Entwicklung einer
MQTT Webapplication
MQTT über Websockets
     
Überblick über das
MQTT Ökosystem
MQTT Clients & Broker
Hands-on MQTT
Testen und “Spielen” mit MQTT
Zusammenfassung & Ausblick
Ende
Entwicklung eines
MQTT Simulators
Mit Java und Paho

Wie entwickle ich einen
MQTT Client in Java?
Was ist “MQTT over
Websockets?”
Wie funktioniert MQTT
für Webseiten?
Umsetzung verschiedener
MQTT Patterns
4
EINFÜHRUNG - LERNZIELE
 Was ist MQTT?
Was werden wir bei
diesem Workshop
lernen?
Warum nicht immer HTTP?
MQTT Broker?
MQTT Clients?
Wie funktioniert MQTT im Detail?
Wie baue ich einen
Software-Deathstar ;-)

5
EINFÜHRUNG - ANWENDUNGSFALL
Unser Anwendungsfall: Deathstar Simulalator
Implementierung eines MQTT Todesstern Simulators und eines Web-Dashboards
zur Anzeige von Daten und Steuerung des Simulators

6
EINFÜHRUNG - BENÖTIGTE SOFTWARE
Benötigte Software
HiveMQ
MQTT Broker
MQTT Client
!
MQTT.fx
mosqutto Tools
HiveMQ Web Client
IDE / Editor
!
IntellIj IDEA
Eclipse
Netbeans
vi
Git

7
EINFÜHRUNG - BENÖTIGTE SOFTWARE
Wer benötigt noch diese Software?


Einführung in MQTT
Überblick und wichtigste
Features und Eigenschaften

9
Herausforderungen im IoT
Unzuverlässige Netzwerke
Skalierbarkeit
Bidirektionale Kommunikation
Constrained Devices
Security
Push Messaging
MQTT - HERAUSFORDERUNGEN

10
MQTT - IOT PROTOKOLL ANFORDERUNGEN
Anforderungen an ein IoT Protokoll
Bandbreiteneffizient
Skalierbar
Standardisiert
Offen
Datenagnostisch
Sowohl für schwache Hardware
als auch Server geeignet

11
Sehr verbreitet
Request / Response
Seit 1991 verbreitet
Dokumentenzentriert
HTTP?
MQTT - HTTP?

12
Warum nicht immer HTTP?
Viel Overhead
Polling statt Push
Kein Quality of Service
Stateless
Wie merken wir, dass
ein Client offline ist?
MQTT - HTTP?

13
MQTT - MESSAGING FÜR DAS INTERNET DER DINGE
MQTT - Messaging für das Internet der Dinge
 Einfach
 Publish / Subscribe
 Binär

Messaging Protokoll 
Minimaler Overhead 
Datenagnostisch 

14
Anwendungsfälle
Push statt Pull
Zuverlässigkeit auch bei
unzuverlässigen Netzwerken
Constrained Devices
Geringe Bandbreite und
hohe Latenz
Enterprise -> Mobile
MQTT - ANWENDUNGSFÄLLE

15
3 QoS Stufen
Retained Messages
Topic Wildcards
Last Will and Testament
Persistent Sessions
Heartbeats
Features
MQTT - FEATURES

Was ist Publish / Subscribe Messaging?

17
Pub / Sub
MQTT - PUB / SUB

18
MQTT Topics
Hierarchisch
Wildcards (+ und #)
Queuing (QoS > 0)
Sehr Leichtgewichtig
Dynamisch
MQTT - MQTT TOPICS

20
deathstar
superlaser
greenhouse
status
usages
humidity
temp
/ /
MQTT - MQTT TOPICS

Deathstar superlaser status: deathstar/superlaser/status
21
deathstar
superlaser
greenhouse
status
usages
humidity
temp
/ /
MQTT - MQTT TOPICS

22
All Data from Greenhouse: deathstar/greenhouse/#
deathstar
superlaser
greenhouse
status
usages
humidity
temp
/ /
MQTT - MQTT TOPICS

23
All Data from deathstar: deathstar/#
deathstar
superlaser
greenhouse
status
usages
humidity
temp
/ /
MQTT - MQTT TOPICS

Username / Password
Payload Verschlüsselung
TLS
Client Certificate Authentication
Permissions
24
MQTT Security
MQTT - MQTT SECURITY

25
MQTT - Historische Entwicklung
MQTT - GESCHICHTE
Arlen Nipper (Arcom) &
Andy Stanford-Clark (IBM)
entwickeln MQTT
freie
Verfügbarkeit
OASIS TC MQTT 3.1.1 Release
1999 2010 2013 2014

26
MQTT 3.1.1 Verbesserungen zu MQTT 3.1
1. Weitgehend abwärtskompatibel
2. Effizientere Header
3. Client-ID Längenrestriktion entfernt
4. Connect ohne Client-ID
5. Persistent Present Flag
6. Fehlercode bei Subscriptions
7. Direktes Publishen nach dem Verbinden
8. MQTT over Websockets spezifiziert
9. Alle Strings sind nun UTF-8
10.Protokollname nun offiziell “MQTT”
MQTT - MQTT 3.1.1


Überblick über das
MQTT Ökosystem
MQTT Clients und Broker

MQTT Client Bibliotheken
Überblick über die populärsten Alternativen


30
Eclipse Paho
Open Source
“Referenzimplementierung”
Aktive Community
Sync und Async API
Lauffähig auf JavaME
CLIENTS - PAHO

31
Fusesource MQTT Client
Open Source
3 API Styles
Sehr performant
Basiert auf HawtIO
Verfügbar in Maven Central
CLIENTS - FUSESOURCE

33
Eclipse Paho
Open Source
Basierend auf Websockets
Sehr gut dokumentiert
keine Abhängigkeiten
CLIENTS - PAHO

34
Open Source
Node.js Bibliothek
Verfügbar in npm
MQTT.js
CLIENTS - MQTT.JS

Open Source
Auch für C++ verfügbar
Verfügbar für POSIX / Windows
und Embedded
36
Eclipse Paho
CLIENTS - PAHO

38
Sonstige Clients
Paho (Python, Go, Lua)
M2Mqtt (C#)
ruby-mqtt (Ruby)
Arduino Client
MQTTKit (Objective C)
Mosquitto-PHP (PHP)
CLIENTS - SONSTIGES

MQTT Client Apps
Überblick über die gängigsten Tools


40
Mosquitto_Pub / Mosquitto_Sub
Kommandozeilentool
Sehr viele Features
Debug Modus
Einbettbar (libmosquitto)
CLIENTS - MOSQUITTO

Betriebssystemunabhängig
Benötigt aktivierte Websockets
Publish / Subscribe
Real-Time Updates
41
HiveMQ Web Client
CLIENTS - HIVEMQ WEB CLIENT

42
JavaFX
Mit nativen Wrapper für alle
gängigen Betriebssysteme
Scripting Support
Broker Status ($SYS) Support
MQTT.fx
CLIENTS - MQTT.FX

43
Sonstige Applikationen
MQTTLens (Browser)
MQTTSpy (JavaFX)
MyMQTT (Android)
MQTT Inspector (iOS)
viele andere
CLIENTS - SONSTIGES

MQTT Broker
Alternativen für das “Herzstück” von MQTT


45
Open Source
Ideal für Constrained Devices
Unterstützt Bridging
In C implementiert
Mosquitto
BROKER - MOSQUITTO

46
Open Source
Node.js Broker
Einbettbar
Unterstützt nicht alle
MQTT Features
Mosca
BROKER - MOSCA

47
Open Source
In Erlang implementiert
MQTT Adapter
Unterstützt nicht alle
MQTT Features
RabbitMQ
BROKER - RABBITMQ

High Performance MQTT Broker
Nativer Websockets Support
Open Source Plugin System
Unterstützt Bridging
Clustering
Skaliert > 100.000 Connections
48
HiveMQ
BROKER - HIVEMQ

49
BROKER - ÜBERSICHT
MQTT Broker Übersicht Source: https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/Server%20support
QoS 0 QoS 1 QoS 2 Bridge SSL Cluster Websockets
Plugin
System
mosquitto ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ X X ✔
Mosca ✔ ✔ X ? ? ? ✔ X
RabbitMQ ✔ ✔ X X ✔ ? ? ?
HiveMQ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔
ActiveMQ ✔ ✔ ✔ ? ? ? ✔ ?
RSMB ✔ ✔ ✔ ✔ X X X ?
moquette ✔ ✔ X ? ? X X X

Hands-on MQTT
Testen und “Spielen” mit
MQTT


Übung 1: Quality of Service Levels

52
QoS 0 At most once delivery
QoS 1 At least once delivery
QoS 2 Exactly once delivery
ÜBUNGEN - QOS

Showtime!
Ausprobieren mit einem Tool der Wahl

55
Retained Messages
“Last Known Good Value”
Die letzte Nachricht wird
vom Broker gespeichert
Client entscheidet ob eine
Nachricht retained wird
Clients bekommen retained
message nach Subscribe
ÜBUNGEN - RETAINED MESSAGES

Übung 3: Last Will and Testament

58
Last Will and Testament
Client definiert LWT
Broker schickt diese
Nachricht nach Client “Tod”.
Echter Push
Nützlich um on / off
verlässlich zu implementieren
ÜBUNGEN - LWT

Broker speichert Client Session
Client entscheidet ob er eine
persistent Session haben möchte
Queuing für QoS > 0
61
Persistent Session
B
ÜBUNGEN - PERSISTENT SESSION
Connect
Subscribe
device/+/status
device/12/status: „1“
1st
B
Re-Connect
device/12/status: „1“
2nd

Entwicklung eines
MQTT Todesstern
Simulators
MQTT mit Java und
Eclipse Paho


64
Deathstar
Simulator
Dashboard
Deathstar Simulator
Implementiert in Java
Dashboard
Web Application
MQTT Broker
HiveMQ
DEATHSTAR - GIT

1. Git installieren
2. Übungen können als Tag
ausgechekt werden
3. Git Kommandos werden vor jeder
Übung gezeigt
66
Git
DEATHSTAR - GIT

67
Initiales Klonen des Repositories
DEATHSTAR - GIT
git clone git@github.com:dc-square/ ->!
introduction-to-mqtt-workshop.git

70
Features
• Alarmierung wenn Eindringlinge
dem Reaktor zu nahe kommen
• Abfeuern des Superlasers
• Fernsteuerung der Meldefrequenz
• Temperaturanzeige des Imperialen
Gewächshauses
• Melden des Status (Online / Offline)
DEATHSTAR - FEATURES

71
DEATHSTAR - PAHO
MqttClient client = new MqttClient(
"tcp://localhost:1883", //URI
"publisher", //Client ID
new MemoryPersistence()); //Persistence
!
client.connect();
!
client.publish("the/topic", //topic
"message".getBytes(), //message
1, //QoS
false); //retained
!
client.disconnect();

72
DEATHSTAR - PAHO
MqttClient client = new MqttClient(
"tcp://localhost:1883", //URI
"publisher", //Client ID
new MemoryPersistence()); //Persistence
!
MqttConnectOptions connOptions =
new MqttConnectOptions();
connOptions.setKeepAliveInterval(120);
connOptions.setWill("help/I/died",
new byte[0], 2, true);
connOptions.setCleanSession(false);
connOptions.setUserName("username");
connOptions.setPassword("passw".toCharArray());
!
client.connect(connOptions);

73
DEATHSTAR - PAHO
final MqttClient client = new MqttClient(...);
client.setCallback(new MqttCallback() {
@Override
public void connectionLost(Throwable cause) {}
@Override
public void messageArrived(String topic,
MqttMessage message)throws Exception {
System.out.println(new String(message.getPayload()));
}
@Override
public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {}
});
client.connect();
client.subscribe("#");

Übung 1: Deathstar Reactor Alert

75
Checkout
DEATHSTAR - GIT
git checkout deathstar-start

79
Checkout
DEATHSTAR - GIT
git checkout superlaser-start

80
Was ist zu tun?
DEATHSTAR - SUPERLASER
Subscriben auf deathstar/superlaser/status
Laser abfeuern
Status wieder auf deaktiviert setzen

Übung 3: Update Frequenz ändern

83
Checkout
DEATHSTAR - GIT
git checkout frequency-start

Übung 4: Imperial Bath Greenhouse

86
Checkout
DEATHSTAR - GIT
git checkout greenhouse-start

89
Checkout
DEATHSTAR - GIT
git checkout status-start


Entwicklung einer
MQTT Todesstern
KontrollApp
MQTT over Websockets

92
Features
• Alarmierung wenn Eindringlinge
dem Reaktor zu nahe kommen
• Abfeuern des Superlasers
• Fernsteuerung der Meldefrequenz
• Temperaturanzeige des Imperialen
Gewächshauses
• Anzeigen des Status (Online / Offline)
DASHBOARD - FEATURES

94
DASHBOARD - WEBSOCKETS
MQTT Over Websockets

96
Checkout
DASHBOARD - GIT
git checkout db-start

99
Checkout
DASHBOARD - GIT
git checkout db-superlaser-start

102
Checkout
DASHBOARD - GIT
git checkout db-greenhouse-start

Übung 4: Update Frequenz ändern

105
Checkout
DASHBOARD - GIT
git checkout db-frequency-start

108
Checkout
DASHBOARD - GIT
git checkout db-status-start

HIVEMQ - PAY-AS-YOU-GO
http://www.hivemq.com/iot-con-special-2014/ 110

113
OUR TEAM - HELLO YOU!
Credits (all Images under Creative Commons)
‣ “The Stormtrooper” by leg0fenris: https://flic.kr/p/9beh6M
‣ “Stormtroopers Training: Theory” by Pedro Vezini: https://flic.kr/p/9iCMCB
‣ “Impending Doom (Explored)” by Pascal: https://flic.kr/p/8sjHyA
‣ “Is this Jabba the Hut's son?” by Kristina Alexanderson: https://flic.kr/p/9WDcSx
‣ “#135/366” by Robert McGoldrick: https://flic.kr/p/bXKkBG
‣ “Old droids” by stavos: https://flic.kr/p/jfYxPA
‣ “#23/366 The Plan” by Robert McGoldrick: https://flic.kr/p/bhgZbx
‣ “Day 112” by Pascal: https://flic.kr/p/7jbBvN
‣ “New Navcom” by Jason Ternus: https://flic.kr/p/5zkmHe
‣ “Got the Superman Cape... Let's do this!” by Brian Neudorff: https://flic.kr/p/jmowHw
‣ “"..And The Nominees Are…”" by Predro Vezini: https://flic.kr/p/8wFkyN

114
Credits II (all Images under Creative Commons)
‣ “Hardcore Stormies Hit The Gym” by W_Minshull: https://flic.kr/p/9pbzs7
‣ “#145/366” by Robert McGoldrick: https://flic.kr/p/c4zqAJ
‣ “Rocking Hard” by W_Minshull: https://flic.kr/p/dB13LP
‣ “Weightlifting” by 713 Avenue: https://flic.kr/p/5cdK3z
‣ “Kaos - Chaos paiting (ii)” by Kristina Alexanderson: https://flic.kr/p/ajcZoo
‣ “Pole Vault” by 713 Avenue: https://flic.kr/p/5eAzQi
‣ “T as in teaching Tech” by Kristina Alexanderson: https://flic.kr/p/cyAA8d
‣ “Escaping the Death Star” by Paulo Valdivieso: https://flic.kr/p/eHQ9kr
‣ “Death Star Prototype”: http://starwars.wikia.com/wiki/File:DSprototype_egvv.jpg
‣ “Luke Skywalker flying his X-Wing, getting ready to blow up the Death Star” by Fredrik
Perman: https://flic.kr/p/c3qivy

115
Credits III (all Images under Creative Commons)
‣ “move to the new deathstar” by Nerd herdr: https://flic.kr/p/oqxYue
‣ “I think it is time we demonstrated the full power of this station” by Fanboy30: https://
flic.kr/p/5YYbLK
‣ “Stromtrooper's clone robots” by Jay: https://flic.kr/p/b3mvcX
‣ “Hot Tub” by W_Minshull: https://flic.kr/p/9nMWxp
‣ “Searching for Droids” by Guy Streatfeild: https://flic.kr/p/bAvbWW
‣ “Stormpainter” by Pedro Vezini”: https://flic.kr/p/9SrKQU
‣ “Let The Wookie Hug” by Pedro Vezini: https://flic.kr/p/8ukTZe
‣ “Daisy Squad” by Stéfan: https://flic.kr/p/bD6ANy
‣ “Enjoying the sunset” by Kristina Alexanderson: https://flic.kr/p/avNV2Q

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