Hướng Dẫn Toàn Diện Về MQTT: Từ Cơ Bản Đến Nâng Cao

Chào mừng bạn đến với **Hướng dẫn toàn diện về MQTT**, nguồn tài nguyên tuyệt vời để nắm vững giao thức Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Đây là một giao thức nhắn tin nhẹ và hiệu quả, được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị có hạn chế và những mạng lưới có băng thông thấp, độ trễ cao hoặc không ổn định. MQTT hoạt động theo kiến trúc **publish-subscribe**, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho **Internet of Things (IoT), tự động hóa công nghiệp, tự động hóa gia đình và ứng dụng nhắn tin thời gian thực**. Hướng dẫn này được chia thành **7 mô-đun**, bao gồm từ những khái niệm cơ bản đến nâng cao về MQTT, các triển khai thực hành và ứng dụng trong thực tế. Trong phần đầu tiên này, chúng ta sẽ khám phá những điều cơ bản về MQTT, bắt đầu với câu hỏi đơn giản nhất: **MQTT là gì?**### Các yêu cầu trước:1. Kiến thức cơ bản về mạng (_những thứ như TCP/UDP, cổng kết nối...) 2. Kiến thức lập trình cơ bản (_bất kỳ ngôn ngữ nào cũng được_)### Mục lục:1. MQTT là gì? 2. Tại sao lại sử dụng MQTT? 3. So sánh với HTTP, CoAP và AQMP4. Tổng quan kiến trúc của MQTT5. Các phiên bản giao thức MQTT6. Thực hành-001: Cài đặt MQTT## MQTT là gì? Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một phương pháp truyền tải tin nhắn nhẹ nhàng, mở và đơn giản, được phát triển nhằm phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu trong các môi trường có giới hạn về tài nguyên như băng thông thấp hoặc độ trễ cao."

MQTT, hay còn gọi là Giao thức truyền tải telemetry hàng đợi tin nhắn, được phát triển lần đầu vào năm 1999 bởi Dr. Andy Stanford-Clark của IBM và Arlen Nipper của Arcom (hiện nay là Cirrus Link) nhằm mục đích giám sát các đường ống dẫn dầu qua kết nối vệ tinh. Kể từ đó, MQTT đã trở thành một trong những giao thức phổ biến nhất trong hệ sinh thái Internet of Things (IoT). Về bản chất, MQTT là một giao thức **publish-subscribe (pub/sub)** cho phép việc giao tiếp hiệu quả giữa các thiết bị. Nó cho phép các thiết bị (được gọi là **khách hàng**) gửi (xuất bản) hoặc nhận (đăng ký) các thông điệp (gọi là **chủ đề**) thông qua một máy chủ trung gian được biết đến như **broker**. Kiến trúc tách biệt này giúp MQTT có khả năng mở rộng và linh hoạt cao, lý tưởng cho các ứng dụng IoT nơi mà hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu thiết bị cần giao tiếp với nhau một cách liền mạch.

### Tại sao chọn MQTT?

MQTT được thiết kế với những mục tiêu cụ thể, khiến nó trở nên lý tưởng cho IoT và các môi trường hạn chế khác. Dưới đây là những điểm nổi bật của MQTT:
1. **Nhẹ và hiệu quả**: Các tiêu đề tin nhắn nhỏ gọn và mức độ overhead tối thiểu của MQTT làm cho nó rất phù hợp với mạng lưới băng thông thấp và độ trễ cao. Giao thức này được tối ưu để hoạt động trên những thiết bị có công suất xử lý và bộ nhớ giới hạn, đồng thời cũng tiết kiệm dữ liệu và năng lượng rất tốt.
2. **Mô hình pub/sub**: Hỗ trợ nhiều thiết bị kết nối cùng lúc mà không làm giảm hiệu suất tổng thể.
3. **Khả năng giữ kết nối**: Tính năng này đảm bảo sự ổn định trong quá trình truyền tải dữ liệu ngay cả khi điều kiện mạng không thuận lợi.

Vì vậy, không khó hiểu khi MQTT đang ngày càng chiếm ưu thế trong lĩnh vực IoT hiện nay.

MQTT có những ưu điểm nổi bật, đặc biệt trong các ứng dụng IoT. 1. **Tiêu thụ năng lượng thấp**: Mô hình giao tiếp hiệu quả của MQTT giúp giảm mức tiêu thụ điện năng, rất phù hợp cho các thiết bị chạy bằng pin như cảm biến và thiết bị đeo. 2. **Độ tin cậy trong việc gửi tin nhắn**: Với ba cấp độ Chất lượng Dịch vụ (QoS), MQTT đảm bảo rằng thông điệp được gửi đến một cách đáng tin cậy, ngay cả trong những điều kiện mạng không ổn định. 3. **Khả năng mở rộng**: Kiến trúc publish-subscribe của MQTT cho phép nó xử lý hàng nghìn hoặc thậm chí hàng triệu thiết bị đồng thời, nên rất lý tưởng cho các triển khai IoT quy mô lớn. 4. **Giao tiếp theo thời gian thực**: MQTT hỗ trợ việc giao tiếp hai chiều theo thời gian thực, giúp các thiết bị có thể gửi và nhận dữ liệu ngay lập tức mà không bị chậm trễ. 5. **Kiến trúc tách rời**: Các nhà xuất bản và người đăng ký không cần biết về sự tồn tại của nhau, điều này mang lại tính linh hoạt và dễ dàng mở rộng cho hệ thống. Những đặc điểm trên làm cho MQTT trở thành một lựa chọn hấp dẫn trong lĩnh vực Internet of Things ngày nay, nơi mà khả năng tiết kiệm băng thông cũng như tài nguyên là vô cùng quan trọng."

MQTT hỗ trợ việc nhắn tin offline thông qua các tin nhắn giữ lại và phiên làm việc bền vững, đảm bảo rằng các tin nhắn sẽ được gửi đi ngay cả khi thiết bị tạm thời không trực tuyến.

Khi so sánh với HTTP, CoAP và AMQP, ta thấy rằng HTTP được thiết kế chủ yếu cho web với mô hình yêu cầu-phản hồi, điều này không hiệu quả trong các tình huống IoT mà nơi mà các thiết bị cần gửi dữ liệu thường xuyên. Mô hình công bố-đăng ký của MQTT cùng với độ trễ thấp khiến nó trở nên hiệu quả hơn nhiều cho giao tiếp theo thời gian thực trong những môi trường hạn chế tài nguyên.

CoAP cũng được tối ưu hóa cho các thiết bị hạn chế và sử dụng giao thức UDP để tăng tốc độ truyền tải. Tuy nhiên, do MQTT sử dụng TCP và có cơ chế đáng tin cậy tích hợp (các mức QoS), nó trở thành sự lựa chọn tốt hơn cho những tình huống mà sự chuyển giao tin nhắn là rất quan trọng. Trong khi đó, CoAP thích hợp hơn cho việc gửi những thông điệp nhỏ một cách thường xuyên trong các mạng tiêu thụ năng lượng thấp.

AMQP là một giao thức mạnh mẽ dành cho hệ thống nhắn tin doanh nghiệp, cung cấp nhiều tính năng như xếp hàng tin nhắn, định tuyến và giao dịch. Tuy nhiên, độ phức tạp và chi phí cao của nó khiến AMQP ít phù hợp với các thiết bị IoT có tài nguyên hạn chế. Do đó, sự đơn giản và hiệu quả của MQTT làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng hơn cho ứng dụng IoT.

MQTT theo kiến trúc **công bố - đăng ký (pub/sub)**, điều này hoàn toàn khác với các mô hình truyền thống như HTTP. Trong mô hình pub/sub, việc giao tiếp được tách rời, có nghĩa là người gửi (người công bố) và người nhận (người đăng ký) không cần biết đến nhau. Thay vào đó, họ tương tác thông qua một trung gian trung tâm gọi là **Broker**. Kiến trúc này cực kỳ linh hoạt và mở rộng, rất phù hợp cho các ứng dụng IoT nơi mà hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu thiết bị cần giao tiếp một cách liền mạch. Hãy cùng khám phá bốn thành phần chính của kiến trúc MQTT: ## Broker ### Broker là gì? **Broker** chính là trung tâm của kiến trúc MQTT. Nó nhận tin nhắn từ người công bố và định tuyến chúng tới những người đăng ký thích hợp dựa trên chủ đề mà họ đã đăng ký. Có thể tưởng tượng broker giống như một bưu điện đảm bảo rằng tin nhắn được chuyển đến đúng người nhận. ### Trách nhiệm của Broker: - **Định tuyến tin nhắn**: Broker sẽ khớp các tin nhắn đến từ người công bố với những chủ đề mà người đăng ký đã theo dõi. - **Quản lý phiên làm việc**: Broker quản lý kết nối của khách hàng, các lượt đăng ký và phiên làm việc tồn tại lâu dài. - **Chất lượng dịch vụ (QoS)**: Broker đảm bảo rằng các tin nhắn được gửi đi theo mức độ QoS đã chỉ định (0, 1 hoặc 2). Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về điều này sau. - **Tin nhắn giữ lại**: Broker có thể lưu lại tin nhắn cuối cùng trên một chủ đề và gửi nó cho những người đăng ký mới sau này. - **Bảo mật**: Broker chịu trách nhiệm về xác thực và phân quyền cho khách hàng truy cập hệ thống của mình. ### Một số broker MQTT phổ biến:- **Mosquitto**: Nhẹ nhàng và mã nguồn mở.- **EMQX**: Hiệu suất cao và khả năng mở rộng tốt.- **HiveMQ**: Được thiết kế cho doanh nghiệp với nhiều tính năng tiên tiến hơn nữa. ## Chủ đề Các chủ đề trong MQTT là những chuỗi phân cấp định nghĩa cấu trúc định tuyến cho các tin nhắn trong mạng lưới MQTT.

Các chủ đề trong MQTT hoạt động như một "nhãn" hoặc "địa chỉ" cho các thông điệp, giúp trung gian xác định ai sẽ nhận được chúng. Khi một nhà xuất bản gửi thông điệp, họ gán một chủ đề cho thông điệp đó. Trung gian sau đó sử dụng chủ đề này để chuyển tiếp thông điệp đến tất cả những người đăng ký quan tâm đến chủ đề ấy.

**Ví dụ:** Một nhà xuất bản gửi một đọc nhiệt độ với chủ đề `sensors/temperature/room1`. Một người đăng ký muốn nhận dữ liệu nhiệt độ từ `room1` sẽ đăng ký vào chủ đề `sensors/temperature/room1` để nhận cập nhật.

### Cấu trúc Chủ Đề
Chủ đề trong MQTT được cấu trúc theo dạng phân cấp, tương tự như đường dẫn tập tin. Mỗi cấp trong cấu trúc được tách biệt bằng dấu gạch chéo (`/`). Chẳng hạn, chủ đề `sensors/temperature/room1` có thể được phân tích thành:

- `sensors`: Danh mục chung của chủ đề.
- `temperature`: Một danh mục con, chỉ rõ loại dữ liệu đang được gửi.
- `room1`: Vị trí cụ thể mà dữ liệu đang đến từ đó.

Để dễ dàng theo dõi và quản lý nhiều loại thông điệp cùng lúc, MQTT cũng hỗ trợ việc sử dụng các mẫu chủ đề (Topic Wildcards). Điều này cho phép người dùng có thể đăng ký vào nhiều chủ đề liên quan mà không cần phải biết chính xác từng tên của tất cả các chuỗi địa chỉ. Việc hiểu rõ về cách thức hoạt động của các chủ đề và ứng dụng thực tiễn của chúng là rất quan trọng đối với bất kỳ dự án IoT nào.

MQTT hỗ trợ việc sử dụng ký tự đại diện trong các chủ đề, mang lại sự linh hoạt cho các thuê bao khi nhận tin nhắn từ nhiều chủ đề khác nhau theo một mẫu nhất định. Có hai loại ký tự đại diện chính:

- **Ký tự đại diện một cấp (`+`)**: Ký tự này có thể khớp với đúng một cấp trong cấu trúc của chủ đề. Ví dụ, `sensors/+/room1` sẽ khớp với cả `sensors/temperature/room1` và `sensors/humidity/room1`, nhưng không khớp với `sensors/temperature/room2`.

- **Ký tự đại diện nhiều cấp (`#`)**: Ký tự này có thể khớp với bất kỳ số lượng cấp nào trong cấu trúc chủ đề. Chẳng hạn, `sensors/#` sẽ khớp với tất cả các chủ đề bắt đầu bằng `sensors/`, như là `sensors/temperature/room1`, hoặc `sensors/humidity/room2`, v.v.

### Nhà xuất bản

### Nhà xuất bản là gì?

Một **Nhà xuất bản** là một khách hàng MQTT gửi (xuất bản) các tin nhắn đến một **chủ đề** cụ thể. Các nhà xuất bản thường là những cảm biến, thiết bị hoặc ứng dụng tạo ra dữ liệu. Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có thể công bố thông tin nhiệt độ tới chủ đề `sensors/temperature/room1`.

Việc sử dụng ký tự đại diện không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình đăng ký nhận tin tức mà còn tiết kiệm băng thông và nâng cao hiệu suất hệ thống tổng thể. Nhờ vào khả năng chọn lọc chính xác các tin nhắn qua các mẫu phù hợp, người dùng có thể dễ dàng quản lý và xử lý dữ liệu hiệu quả hơn trong môi trường IoT phức tạp ngày nay.

Một ứng dụng nhà thông minh có thể gửi lệnh đến chủ đề `home/living-room/light/switch`. Các nhà xuất bản không cần phải biết ai là người nhận, họ chỉ cần gửi thông điệp đến trung gian (broker), và trung gian sẽ xử lý phần còn lại. Một nhà xuất bản có thể gửi thông điệp tới nhiều người nhận một cách gián tiếp thông qua broker. Thông điệp được phát hành theo các chủ đề cụ thể, những chuỗi phân cấp (ví dụ: `sensors/temperature/room1`).

### Người Nhận

Một **Người Nhận** là một khách hàng MQTT nhận (đăng ký) các thông điệp từ các chủ đề cụ thể. Những người nhận thường là các ứng dụng, bảng điều khiển hoặc thiết bị cần xử lý hoặc hiển thị dữ liệu. Ví dụ như một ứng dụng di động đăng ký vào `sensors/temperature/room1` để hiện thị dữ liệu nhiệt độ theo thời gian thực.

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này cho phép việc gửi và nhận thông tin diễn ra một cách linh hoạt và hiệu quả. Khi Nhà Xuất Bản muốn truyền tải thông tin, họ sẽ tạo ra một thông điệp với định dạng phổ biến như JSON hoặc XML, sau đó gửi nó đến broker. Broker sẽ xác định xem có những Người Nhận nào đang quan tâm đến chủ đề đó và chuyển tiếp thông điệp cho họ.

Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, quy trình xác thực cũng rất quan trọng; Nhà Xuất Bản phải trải qua bước xác thực trước khi có thể gửi bất kỳ thông điệp nào. Điều này giúp bảo vệ dữ liệu và duy trì tính toàn vẹn của giao tiếp trong môi trường MQTT.

Một dịch vụ đám mây đăng ký theo dõi chủ đề `home/living-room/light/switch` để ghi lại các sự kiện liên quan đến công tắc ánh sáng. Các bên nhận (subscribers) sẽ chỉ định những chủ đề mà họ quan tâm, chẳng hạn như `sensors/temperature/room1`. Họ không cần phải biết ai là người phát (publishers), mà chỉ cần nhận thông điệp từ trung gian là broker. Một bên nhận có thể tiếp nhận tin nhắn từ nhiều nguồn phát khác nhau thông qua broker.

**Nguyên lý hoạt động**: Khi một bên nhận muốn theo dõi một chủ đề nào đó, họ sẽ thực hiện việc đăng ký với broker. Broker có nhiệm vụ phân phối các tin nhắn tới những bên đã đăng ký dựa trên các chủ đề mà họ đã chọn. Điều này cho phép hệ thống trở nên linh hoạt hơn và giảm thiểu sự phụ thuộc giữa các nguồn phát và bên nhận.

**Chất liệu giao tiếp**: MQTT thường sử dụng các giao thức truyền tải như TCP/IP hoặc WebSocket để đảm bảo rằng dữ liệu được chuyển tiếp một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

**Tính năng QoS**: Chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) trong MQTT cung cấp nhiều cấp độ khác nhau, giúp đảm bảo rằng tin nhắn được gửi đi đúng cách. Có ba mức độ QoS: 0 (gửi một lần), 1 (gửi ít nhất một lần), và 2 (gửi chính xác một lần). Mỗi mức đều có ưu điểm và nhược điểm riêng tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng.

**Thực tiễn ứng dụng**: Trong thế giới IoT ngày nay, việc sử dụng các bên nhận rất phổ biến. Ví dụ, trong một ngôi nhà thông minh, người dùng có thể cài đặt cảm biến nhiệt độ ở nhiều phòng khác nhau; mỗi cảm biến này sẽ gửi dữ liệu đến broker, từ đó bất kỳ thiết bị nào hoặc ứng dụng nào đã đăng ký cũng có thể tự động cập nhật trạng thái nhiệt độ tương ứng.

Kể từ năm 1999 đến nay, MQTT đã trải qua ba phiên bản lớn với những đặc điểm nổi bật:

1. **MQTT 3.1** (2010): Là phiên bản đầu tiên của MQTT được chuẩn hóa.
2. **MQTT 3.1.1** (2014): Phiên bản cập nhật nhỏ với nhiều cải tiến và làm rõ hơn về quy trình.
3. **MQTT 5.0** (2019): Một bản nâng cấp lớn với nhiều tính năng mới cùng sự cải thiện đáng kể trong khả năng mở rộng và quản lý lỗi.

Những điều này giúp ta thấy rõ vai trò quan trọng của phía nhận trong mạng lưới MQTT cũng như cách thức giao tiếp giữa chúng diễn ra hiệu quả như thế nào trong môi trường Internet vạn vật hiện đại.

Bây giờ, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu cách thiết lập một môi trường MQTT hoàn chỉnh. Chúng ta sẽ sử dụng MQTT 5 cho tất cả các ví dụ, vì đây là phiên bản mới nhất.

## Thực Hành 001: Thiết Lập Máy Chủ MQTT và Xuất Bản/Dịch Vụ Đăng Ký

Trong phần này, chúng ta sẽ thực hiện những bước sau:
1. **Thiết Lập Máy Chủ MQTT** (EMQX).
2. **Xuất Bản và Đăng Ký** thông qua các khách hàng MQTT như **MQTT Explorer**, **Mosquitto CLI** hoặc **Postman**.

Cuối cùng, bạn sẽ có một môi trường MQTT hoàn chỉnh để có thể xuất bản và đăng ký các chủ đề khác nhau. Hãy bắt đầu nào!

### Thiết Lập Máy Chủ MQTT

Bước đầu tiên trong việc thiết lập máy chủ MQTT là cài đặt một broker mà quản lý việc giao tiếp giữa người xuất bản và người đăng ký. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ sử dụng **[EMQX]**, nhưng bạn cũng có thể tham khảo thêm về **[Mosquitto]** hoặc **[HiveMQ]** nếu muốn.

EMQX là một broker MQTT hiệu suất cao và dễ mở rộng, được thiết kế cho các triển khai IoT quy mô lớn.

### Bước 1: Cài Đặt EMQX

- **Trên Linux**:

wget https://www.emqx.io/downloads/broker/v5.0.0/emqx-ubuntu20.04-v5.0.0-amd64.deb

sudo dpkg -i emqx-ubuntu20.04-v5.0.0-amd64.deb

- **Trên macOS**:

brew install emqx

- **Trên Windows**:
Tải trình cài đặt từ [trang web EMQX]. Bạn hãy tải phiên bản mã nguồn mở!

Bạn cũng có thể sử dụng docker hoặc docker-compose hay Kubernetes để thiết lập EMQX, chỉ cần đảm bảo mở các cổng 1883 và 18083.

### Bước 2: Khởi Động EMQX

Khởi động broker bằng lệnh sau:

emqx start

Bạn có thể truy cập bảng điều khiển EMQX tại `http://localhost:18083` (tên đăng nhập mặc định: `admin/public`).

### Kiểm Tra Broker

Sử dụng một khách hàng MQTT (ví dụ như Mosquitto CLI hoặc [MQTT Explorer] hay thậm chí Postman) để xuất bản và đăng ký vào các chủ đề khác nhau.

Mở Postman, chọn yêu cầu mới và chọn 'MQTT' làm loại yêu cầu của bạn. Postman cũng cung cấp một blog hữu ích về cách bắt đầu với MQTT; hãy theo dõi hướng dẫn trên đó để xem kết nối của bạn hiển thị trên bảng điều khiển.

Hãy sử dụng địa chỉ host là **localhost:1883** trong Postman nhé!

---

Chúc mừng bạn! Bạn đã bước đầu khám phá thế giới của MQTT - giao thức nhắn tin nhẹ nhàng và hiệu quả đang thúc đẩy sự phát triển của Internet vạn vật (IoT). Hãy thực hành những gì đã học được trong phần này và khám phá nhiều tùy chọn khác nhau có sẵn trong ứng dụng Postman cũng như bảng điều khiển EMQX trước mắt bạn.