【网络协议】TCP、HTTP、MQTT 和 WebSocket 对比

从协议本质、工作原理、特点、应用场景等方面详细对比 TCP、HTTP、MQTT 和 WebSocket。

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1. TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）

本质

• 协议类型：传输层协议（OSI模型第4层）。
• 核心功能：提供可靠的、面向连接的、全双工的字节流传输服务。
• 作用：确保数据在不可靠的网络中可靠传输，是互联网通信的基础。

工作原理

• 三次握手建立连接：
  1. 客户端发送 SYN 包。
  2. 服务端回复 SYN-ACK 包。
  3. 客户端发送 ACK 包，连接建立。
• 四次挥手断开连接：通过 FIN 和 ACK 包协商关闭连接。
• 流量控制与拥塞控制：通过滑动窗口、慢启动等机制优化传输效率。
• 数据校验：通过校验和（Checksum）确保数据完整性。

特点

• 可靠传输：通过重传机制保证数据不丢失、不重复、有序到达。
• 面向连接：通信前需建立连接，通信后释放连接。
• 全双工：双方可同时发送和接收数据。
• 无状态：仅关注数据传输，不关心应用层协议的具体内容。

应用场景

• 所有需要可靠传输的场景，如文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、HTTP 等。

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2. HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议）

本质

• 协议类型：应用层协议（OSI模型第7层）。
• 核心功能：客户端-服务器模型下，用于网页、API等资源的请求与响应。
• 依赖：基于 TCP 传输（通常使用 TCP 80 端口，HTTPS 使用 443 端口）。

工作原理

• 请求-响应模式：
  1. 客户端发送请求（如 GET /index.html HTTP/1.1）。
  2. 服务端处理请求并返回响应（如 200 OK 和 HTML 内容）。
• 无状态：每次请求独立，需通过 Cookie 或 Token 维持会话。
• 版本演进：
  • HTTP/1.1：支持长连接（Keep-Alive），减少握手开销。
  • HTTP/2：二进制分帧、多路复用，提升性能。
  • HTTP/3：基于 QUIC 协议，减少延迟。

特点

• 无状态：每个请求独立，需额外机制维护会话。
• 文本协议：请求和响应内容为文本格式（如 JSON、XML）。
• 单向通信：客户端主动发起请求，服务端被动响应。
• 高延迟：每次请求需建立 TCP 连接（HTTP/1.1 改善，但仍有开销）。

应用场景

• 网页浏览、API 调用、文件下载等。

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3. MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）

本质

• 协议类型：应用层协议（OSI模型第7层）。
• 核心功能：轻量级、低带宽、高可靠的消息发布-订阅模式协议。
• 设计目标：为物联网（IoT）设备提供高效通信，适合资源受限环境。

工作原理

• 发布-订阅模型：
  • Broker（消息代理）：中心服务器，管理主题（Topic）和消息路由。
  • Publisher（发布者）：向特定主题发布消息。
  • Subscriber（订阅者）：订阅感兴趣的主题，接收消息。
• QoS（服务质量等级）：
  • QoS 0：最多一次（尽力而为，可能丢失）。
  • QoS 1：至少一次（确保到达，可能重复）。
  • QoS 2：恰好一次（严格保证不重复、不丢失）。
• 轻量级：固定报文头仅 2 字节（QoS 0 时），文本主题。

特点

• 低带宽、低开销：适合物联网设备（如传感器、嵌入式设备）。
• 异步通信：发布者与订阅者无需同时在线。
• 可靠消息传递：通过 QoS 级别保证消息可靠性。
• 基于 TCP：默认使用 TCP 1883 端口（加密版 MQTT-SN 使用 8883）。

应用场景

• 物联网设备通信（如智能家居、工业监控）、传感器数据采集、移动推送通知。

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4. WebSocket

本质

• 协议类型：应用层协议（OSI模型第7层）。
• 核心功能：全双工、实时通信协议，建立在 TCP 之上。
• 设计目标：解决 HTTP 的单向请求-响应模式，实现实时双向通信。

工作原理

• 基于 HTTP 协议升级：
  1. 客户端通过 HTTP 请求发起 WebSocket 握手（Upgrade: websocket）。
  2. 服务端响应 101 Switching Protocols，切换到 WebSocket 协议。
• 全双工通信：连接建立后，客户端和服务器可随时发送数据帧。
• 数据格式：二进制或文本帧，支持心跳机制（Ping/Pong）保持连接。

特点

• 持久连接：一次握手后长期保持连接，无需重复建立 TCP 连接。
• 双向通信：服务端可主动推送消息到客户端。
• 低延迟：适合实时性要求高的场景。
• 依赖 TCP：默认使用 80/443 端口（与 HTTP 共享）。

应用场景

• 实时聊天、在线游戏、股票行情推送、协同编辑等需要实时交互的场景。

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核心区别总结

特性	TCP	HTTP	MQTT	WebSocket
协议类型	传输层（第4层）	应用层（第7层）	应用层（第7层）	应用层（第7层）
通信模式	全双工字节流	请求-响应（单向）	发布-订阅（异步）	全双工（双向）
连接方式	面向连接（需握手）	无连接（HTTP/1.1 支持长连接）	面向连接（通过 Broker）	面向连接（持久连接）
可靠性	可靠（重传机制）	可靠（依赖 TCP）	可靠（QoS 1/2）	可靠（依赖 TCP）
带宽/开销	较低（基础传输层）	较高（文本协议）	极低（二进制+轻量）	中等（二进制帧）
实时性	一般（需应用层优化）	较差（需轮询或长轮询）	较好（异步推送）	极佳（全双工）
典型端口	80（HTTP）、443（HTTPS）	80（HTTP）、443（HTTPS）	1883（MQTT）、8883（MQTT-SN）	80（WebSocket）、443（WSS）
适用场景	所有可靠传输场景	Web 请求响应	物联网、低带宽设备	实时双向通信

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关键区别对比

1. 协议层级

   • TCP 是传输层协议，负责底层数据传输；
   • HTTP/MQTT/WebSocket 是应用层协议，依赖 TCP 提供可靠传输。

2. 通信模式

   • HTTP 是单向请求-响应模式，客户端主动发起；
   • MQTT 是异步的发布-订阅模式，通过 Broker 中转；
   • WebSocket 是全双工模式，服务端可主动推送。

3. 实时性

   • HTTP 需轮询或长轮询（如 SSE）实现近实时，开销大；
   • MQTT 和 WebSocket 支持实时推送，延迟更低。

4. 带宽与资源

   • MQTT 是最轻量的，适合物联网设备；
   • WebSocket 比 HTTP 更高效，但比 MQTT 复杂；
   • HTTP 文本协议开销较大。

5. 连接管理

   • TCP 需显式建立和关闭连接；
   • HTTP 短连接（HTTP/1.1 支持长连接）；
   • MQTT/WebSocket 保持持久连接。

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选择建议

• 需要可靠传输但无特定应用需求 → TCP
• 网页浏览、API 调用 → HTTP/HTTP/2/HTTP/3
• 物联网设备通信、低带宽环境 → MQTT
• 实时双向通信（如聊天、游戏） → WebSocket