MQTT : 경량 게시-구독(Publish-Subscribe) 메시징 프로토콜

1. MQTT 개요

• **MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)**는 경량 Pub/Sub 메시징 프로토콜.
• 설계 목적: 저대역폭, 불안정한 네트워크 환경에서 IoT 디바이스 간 메시지 교환.
• TCP/IP 위에서 동작하며, TLS를 통해 보안 통신 가능.
• 주요 특징:
  • 최소 오버헤드 (작은 헤더: 2바이트)
  • Publish/Subscribe 패턴 기반
  • QoS 레벨 설정 가능
  • 지속적 세션과 Last Will 메시지 지원

2. MQTT 아키텍처

2.1 구성 요소

1. Broker
   • 메시지 중앙 허브.
   • 클라이언트 간 메시지 라우팅.
   • QoS 처리, 세션 유지, Retained 메시지 관리.
   • 예: Mosquitto, EMQX, HiveMQ
2. Client
   • Publisher, Subscriber 역할 가능.
   • 메시지를 브로커에 발행(Publish)하거나 구독(Subscribe).
   • 장치가 작을수록 경량 라이브러리 사용 (C, Python, JavaScript 등)

2.2 Topic (주제)

• 메시지가 발행되는 식별자.
• 계층 구조: home/livingroom/temperature
• 구독 패턴:
  • #: 다단계 와일드카드 → 모든 하위 토픽 구독
  • +: 단일 단계 와일드카드 → 특정 레벨만 구독

2.3 메시지 유형

1. Publish: 클라이언트 → 브로커
2. Subscribe: 브로커 → 클라이언트
3. Connect / Disconnect
4. Ping: 연결 유지
5. Unsubscribe

2.4 QoS (Quality of Service)

• 메시지 전달 보장 수준

1. QoS 0 – At most once
   • 한 번만 전송, Ack 없음
   • 낮은 신뢰성, 최소 오버헤드
2. QoS 1 – At least once
   • 최소 한 번 전송, Ack 필요
   • 중복 가능성 있음
3. QoS 2 – Exactly once
   • 한 번만 전송, 중복 없음
   • 4단계 핸드셰이크 → 가장 안전, 오버헤드 큼

2.5 Session / Persistent 메시지

• Clean Session
  • true: 연결 종료 시 구독 정보 삭제
  • false: 연결 종료 후 재접속 시 메시지 미수신 복원 가능
• Retained Message
  • 마지막 메시지를 브로커가 저장
  • 신규 구독자가 연결 시 즉시 전달
• Last Will and Testament (LWT)
  • 비정상 종료 시 브로커가 지정 메시지 발행

2.6 연결 흐름 (기본)

1. Client → Broker 연결 (CONNECT)
2. Broker → Client 연결 승인 (CONNACK)
3. Client 메시지 발행 (PUBLISH) 또는 구독 (SUBSCRIBE)
4. Broker → Client 전달 (PUBLISH)
5. QoS/ACK 처리
6. 연결 종료 (DISCONNECT)

3. 보안

• TLS/SSL: 메시지 암호화
• Username/Password: 기본 인증
• ACL: topic 단위 접근 제어
• JWT / OAuth: 토큰 기반 인증도 지원 가능

4. MQTT 장점

• 매우 경량 → IoT 디바이스 적합
• 비동기 Pub/Sub → 느슨한 결합
• 낮은 전력, 네트워크 효율
• 다양한 QoS 제공 → 안정성 조절 가능
• Retained, LWT → 장애 대응 기능

5. MQTT 단점 / 한계

• 메시지 순서 보장은 단일 클라이언트 연결 내에서만 보장
• 브로커 의존 → 단일 장애점 가능성 (클러스터링 필요)
• QoS 2 사용 시 오버헤드 큼
• HTTP/REST 대비 디버깅 도구 제한적

6. 활용 예시

• IoT 센서 데이터 수집
• 스마트홈 디바이스 제어
• 원격 모니터링 시스템
• 모바일 앱 실시간 알림
• Vehicle telematics (차량 원격 데이터 수집)