IoTにおけるソフトと特徴

Arduino
- イベント駆動
MQTT
- 軽量プロトコル
- publish/subscribe型のMQ

Arduinoとは

無償で使えるマイコン用プログラム作成アプリ
- マイコン毎にアドオンがある(ex, ESP8266)
スケッチ(=プログラム)はsetup/loopで構成
- setup: 電源入り後一度だけ呼ばれる
- loop: (電源切るまで)繰り返し呼ばれる
提供されているスケッチ例を改造して動かす

$brew cask install arduino

MQTTとは

Message Queuing Telemetry Transport
非常に軽量なプロトコル
- 2000年代初めに登場し標準化
- TCP/IP上で動く
publish/subscribe型のメッセージ転送
IoT/モバイルに適する
- センサーデバイス
- Facebook Messengerで使われている

HTTPよりも

軽量（ヘッダが最小2バイト）¹・優れた処理速度・省電力
- HTTPではヘッダのオーバーヘッドが高い
- AgostoのテストによるとHTTPSの10倍以上オーバーヘッドが低い
IoTの利用場面に適している
- 貧弱な電波環境（通信帯域制限）
- バイト毎に料金・バッテリーを消費する環境

HTTPヘッダとの比較

$curl --head https://www.yahoo.co.jp/
HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 18 Jul 2017 18:10:57 GMT
(中略)
$curl --head https://www.yahoo.co.jp/ | wc -c
703

最小まで減らすとしたらHTTP/1.1 200 OKの15byte
MQTTでは最小2バイト¹
通信量が膨大になるほどこの10byteの差が意味を持つ

暗号化

TLSを使った暗号接続が可能
- port: 8883
ただし通信毎に認証が必要なので軽量さは失われる²
- メッセージ全体のサイズが大きいならヘッダの10バイト差は誤差
- MQTTとHTTPsどちらが適しているか要検討

HTTPとのすみ分け

protocol	適した用途
http	1対1で画像など大きなデータをやりとりしたい, secureな通信がしたい
mqtt	複数台から小さいデータを大量にもらいたい

Publish/Subscribe

メッセージの送信者(publisher)が特定の受信者(subscriber)に直接メッセージを送信しない
メッセージのやりとりにはBrokerと呼ばれる中継serverが必要
- サーバーがメッセージを保管するため受信側の状態に関係なくメッセージを送れる
  - オフラインでもOK
- publisher/subscriberがMQTT client
接続時のデバイスIDが被ると古い接続が切れる

出典: Securing MQTT - BuildingIoT 2016 slides

message(= topic + data)

subscriberはbrokerへtopicの受信を申し込む
- 接続後一度だけで良い
brokerはtopicへのpublishがあると接続中のtopicを申し込んだsubscriberへmessageを送信
- 過去分は送れない（最後のmessageはオプションで受け取れる）
- publisherにsubscriberのアクセス情報は通知されない

出典: Paho Python client for MQTT and G-code Visualization Talks, Chennaipy

topic

一般的に/(スラッシュ)で階層化³
- ex, tokyoA/temp
ワイルドカード(#,+)
mosquittoなどの一部ブローカーにはACL機能有り

QoS

client間のメッセージ到達保証レベル(Quality of Service)
通常は0、コントロール系のメッセージは1以上、が基本
- 1以上はbrokerでstoreが必要
Kafkaの例だが佐伯さんのスライドがわかりやすい

level	desc	example
0	At most once(メッセージ到達保証無)	subscriberの受信失敗時のケアがない、など
1	At least once(届くけど重複するかも)	subscriberのACK受信失敗時に再送、など
2	Exactly once(確実に重複無く届ける)	transaction制御、速度低下

（閑話）ログの質が精度を分ける

米テックジャイアントのログ収集は実は雑
- 重複やロストは気にしない
- ログ設計はすごい。デモグラなど混ぜて1レコードに豊富な情報量
重複もロストも許さないログでディープラーニングにかけたら、モデルの精度がテックジャイアントより高かった
- precision/recallがほぼ1
- 1レコードは購買やPVなど基本情報のみ
- 日本向けサービス同士の比較なので、日本語の壁など外的要因な可能性も

※社外秘のため詳細は公開しません

MQTTブローカー

OSS
- mosquitto
cloud
- cloudMQTT
- ニフティクラウド
公開MQTTテスト用ブローカー
- iot.eclipse.org

MQTTクライアント

OSS
- paho
  - 様々な言語に対応
- PubSubClient
  - Arduinoクライアント
  - 日本語のスケッチ例はこちら

mosquitto & paho by Python

MQTT通信の実例
Macで下記セットアップ

$brew install mosquitto
# mosquitto起動のため以下のどちらかを実行
# bg
$brew services start mosquitto
# fg
$/usr/local/opt/mosquitto/sbin/mosquitto -c /usr/local/etc/mosquitto/mosquitto.conf

$pip install paho-mqtt

paho pub.py

Pythonクライアントのチュートリアルを真似つつ

pub.py

import paho.mqtt.client as mqtt
import time

client = mqtt.Client()
client.connect('localhost', 1883, keepalive=60)
client.loop_start()
while True:
  client.publish('world/darai0512', 'test')
  time.sleep(1)

paho sub.py

sub.py

import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, respons_code):
  print('connected')
  client.subscribe('world/#')

def on_message(client, userdata, msg):
  print(msg.topic + ' ' + str(msg.payload))

client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect('localhost', 1883, keepalive=60)
client.loop_forever()

Let's try MQTT

$python pub.py &
$python sub.py
world/darai0512 test
world/darai0512 test
...

IoT時代のプログラミング（主にMQTTについて）

IoTにおけるソフトと特徴

Arduinoとは

MQTTとは

HTTPよりも

HTTPヘッダとの比較

暗号化

HTTPとのすみ分け

Publish/Subscribe

message(= topic + data)

topic

QoS

（閑話）ログの質が精度を分ける

MQTTブローカー

MQTTクライアント

mosquitto & paho by Python

paho pub.py

paho sub.py

Let's try MQTT