MQTT 与 WebSocket：关键差异与应用场景

引言

在现代实时通信中，MQTT 和 WebSocket 均占据着举足轻重的地位。尽管它们在功能和应用场景上存在差别，但本文的比较并不是将两者对立起来，而是揭示每种协议所扮演的独特角色，帮助您理解它们之间的关系，并了解何时单独或结合使用它们以发挥各自的优势，从而为您的应用构建一个更加优化的通信架构。

MQTT 与 WebSocket 概览

MQTT 简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种为资源受限设备设计的轻量级消息传输协议，适合在低带宽、高延迟或不稳定网络环境下使用。它在物联网（IoT）领域得到了广泛应用，为传感器、执行器和其他设备提供高效的通信。

要想有效使用 MQTT，需要一个中心 Broker，例如 EMQX，它不仅能确保消息传递的可靠性，还能帮助您高效地扩展系统规模。

WebSocket 简介

WebSocket 是一种网络协议，它通过单一、持久的 TCP 连接实现了双向通信通道。与 HTTP 的短暂交互不同，WebSocket 在初始握手之后维持一个开放的连接，这使得它能够支持实时和交互式的数据交换。这一特性对于需要快速响应的应用程序，如在线游戏、聊天系统和实时股票交易平台等，尤为重要。

WebSocket 协议包括建立连接的握手阶段和交换信息的数据传输阶段。

深入了解 MQTT 和 WebSocket：应用场景

下面，我们将详细探讨 MQTT 和 WebSocket 的特定特性及其应用场景，以便您更深入地理解它们在各种环境中的有效运作。

MQTT：为物联网高效通信量身定制

MQTT 是一种专为资源受限的环境设计的轻量级发布-订阅消息传输协议，非常适合功率低、带宽有限或网络不稳定的场合。它的数据包尺寸小、基于主题的消息路由和多种服务质量（QoS）级别，使其在需要高效率和可靠性的物联网应用中表现出色。

MQTT 的关键特性

• 轻量化：降低资源消耗，适合功能有限的设备。
• 高可靠性：提供多级服务质量（QoS），确保在不稳定的网络环境中也能传递消息。
• 安全通讯：支持 TLS/SSL 加密和客户端认证，保障数据安全。
• 双向通信：通过发布-订阅模式实现双向交流。
• 有状态会话：管理连接状态，提升通信可靠性。
• 高扩展性：在带宽消耗最小的情况下处理大规模部署。
• 多语言支持：支持多种编程语言，易于集成。

实际应用场景

MQTT 的以上特性使其成为满足物联网生态系统复杂多样需求的理想选择。以下是一些特别能够体现 MQTT 能力的具体应用场景。

• 物联网设备：在智能家居中，为传感器和温控器等设备提供高效的通信能力，提升自动化水平和能源管理效率。
• 车联网：支持车载信息通信系统的数据交换，包括软件定义汽车，增强车队管理、维护和实时车辆监控能力。
• 工业物联网：将工业环境中的传感器和机械设备连接到中央服务器，促进实时操作控制和预测性维护。
• 智能制造：通过实时数据通信，自动化和优化制造流程，提高安全性和生产效率。
• 可穿戴设备：将健身追踪器和智能手表与智能手机或云服务器连接，为用户提供实时健康监测和数据分析。

MQTT 应用示例：智能家居

假设您拥有一套智能家居系统，并希望通过 MQTT 技术来控制灯光开关。以下是一个由 JavaScript 实现的 MQTT 客户端代码示例。我们将连接至由 EMQ 提供的公共 MQTT Broker——broker.emqx.io，它允许您在无需部署个人 MQTT Broker 的情况下测试和体验 MQTT 协议：

// 引入 MQTT 库，本例采用 Node.js 环境；如果您在浏览器或其他环境操作，
// 可以选择使用 CDN 或 ES 模块导入方式。
// 更多信息和选择，请访问：https://github.com/mqttjs/MQTT.js
const mqtt = require('mqtt');

// 连接至 EMQ X 公共 MQTT Broker
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.emqx.io');

// 成功连接后，发布消息以开启灯光
client.on('connect', () => {
  console.log('Connected to EMQ X broker');
  // 指定主题和消息内容
  client.publish('home/livingroom/light', 'ON');
  console.log('Light turned ON');

  // 如有需要，可在发布消息后断开连接
  client.end();
});

// 处理连接过程中的错误
client.on('error', (error) => {
  console.error('Connection error:', error);
});

此示例清晰展示了如何利用 MQTT 轻松实施物联网功能，并通过公共基础设施实现家居自动化的实时操作。

WebSocket：实现高级实时通信

WebSocket 协议通过单个 TCP 连接实现全双工通信。它始于一个 HTTP 握手，该握手将连接从 HTTP 升级到 WebSocket，从而允许不间断的双向数据流，避免了重复建立连接的开销。

WebSocket 的工作原理

WebSocket 从一个握手动作开始。客户端请求从 HTTP 升级到 WebSocket，一旦得到服务器的批准，就会建立一个持久的 TCP 通道。这样就消除了 HTTP 连接周期的延迟，使数据交换能够即时进行。

WebSocket 的关键特性

• 双向通信：促进实时的双向交互。
• 低延迟：通过保持连接开放，减少通信延迟。
• 高效率：有效处理频繁的小型消息和大量数据。
• 广泛兼容：在现代浏览器和服务器技术中得到广泛支持。

实际应用场景

• 互动游戏：在多人游戏中提供流畅的玩家互动体验。
• 实时通知：为金融交易和社交媒体即时发送提醒。
• 实时内容更新：动态更新新闻动态和体育比分。
• 协作工具：支持文档和项目的实时共同编辑。

实施 WebSocket 时，需要注意安全风险，如跨站 WebSocket 劫持，并且需要处理代理和防火墙。利用带 TLS 加密的 WebSocket Secure (WSS) 以及强化的服务器配置，可以缓解这些问题。

总的来说，WebSocket 通过支持高效的实时交互，增强了 Web 应用的功能。尽管面临挑战，但它的功能对于当今交互式应用中的动态用户体验至关重要。

WebSocket 应用示例：实时聊天应用

以下展示了如何在 JavaScript 中使用 WebSocket 实现一个基础的实时聊天功能，它能够实现用户之间快速而高效的消息交换：

// 与聊天服务器建立 WebSocket 连接
const chatSocket = new WebSocket('wss://yourserver.com/chat');

// 向服务器发送消息
function sendMessage(message) {
  chatSocket.send(JSON.stringify({ message }));
  console.log('Message sent:', message);
}

// 接收来自服务器的消息
chatSocket.onmessage = function(event) {
  const message = JSON.parse(event.data).message;
  console.log('Message received:', message);
};

// 发送消息的示例用法
sendMessage('Hello, world!');

这个简明的示例建立了一个 WebSocket 连接，包含发送和接收消息的功能，这对于聊天应用程序来说是必不可少的。它展示了双向通信所必需的主要功能。

对比分析

MQTT 和 WebSocket 在现代应用中解决了不同的通信需求，每种技术在不同场景下都有其优势。尽管它们有一些相似之处，但各自的独特属性提供了不同的优势。以下是一个详细的对比，突出了这些差异和相似点，帮助您明确何时使用每种协议。

特性	MQTT	WebSocket
架构	发布/订阅模式，可选请求/响应机制	双向通信，类 Socket API
通信类型	异步通信，支持广播（一对多）	异步通信，点对点（一对一）
连接类型	通过 Broker 实现长期连接	持久化直接连接
安全连接	TLS over TCP	TLS over TCP
消息格式	二进制数据	二进制数据（基于帧的结构）
消息大小	最大 256 MB	每帧最大 2^63 字节
消息开销	最小，起始于 2 字节	最小 2 字节，掩码帧 6 字节
消息分发	Broker 可为离线订阅者缓存消息	不支持原生消息队列；依赖额外软件
消息 QoS	0（最多一次），1（至少一次），2（仅一次）	无内置 QoS；依赖 TCP
消息排队	由 Broker 支持	原生不支持
标准和协议合规	遵循 OASIS 标准，具备全面安全特性	符合 RFC 6455，遵守网络标准
数据效率	由于头部开销极小，效率高	由于帧结构开销较大，效率略低
可扩展性	通过 Broker，具有广泛的扩展性	受限于直接连接，需要额外层
集成复杂度	中等，取决于 Broker 配置	一般较低，易于与 HTTP/S 环境集成
维护和运营成本	需要 Broker 管理	较低，除非进行水平扩展
实时能力	高，但 Broker 可能引入延迟	极高，支持即时数据传输
受限网络条件下的表现	适应性强，适合各种网络条件	在稳定网络条件下表现最佳
协议成熟度	成熟，物联网领域广泛使用	Web 开发中流行
适用场景	物联网、车联网、网络受限环境	实时网络应用、游戏、互动平台

MQTT over WebSocket

MQTT 和 WebSocket 各自承担着不同的功能，但它们的结合却开辟了强大的应用前景。通过将 MQTT 嵌入到 WebSocket 协议中，开发者得以在 Web 环境下发挥 MQTT 出色的消息传递能力，实现物联网数据与 Web 应用的无缝对接。这种方式让我们能够通过 Web 浏览器直接与物联网设备进行实时互动，从而提升用户体验，并将物联网的潜力延伸至更广阔的 Web 领域。

为何选择 MQTT over WebSocket

MQTT 与 WebSocket 的结合汇聚了两种技术的优势，通过 Web 浏览器提升了物联网的交互体验，并使物联网的应用变得更加普及。以下是其优点所在：

• 交互简化：实现了浏览器与物联网设备的直接交互。
• 普及性：使得任何 Web 用户都能够连接并操控物联网设备。
• 实时更新：能够即时将设备的最新数据传送至浏览器。
• 高效与广泛支持：将 MQTT 的高效性与 WebSocket 的普及性相结合。
• 数据可视化增强：在 Web 页面上更加直观地展示实时数据。

想了解更多关于 MQTT over WebSocket 的优势，请参阅 MQTT over WebSocket 快速入门指南。

快速入门：MQTT over WebSocket

EMQX MQTT Broker 默认支持 WebSocket，使得在 WebSocket 上实现 MQTT 变得简单直接。以下是快速入门的步骤：

1. 使用 Docker 安装 EMQX：使用 Docker 部署 EMQX，无缝处理 MQTT 和 WebSocket 通信：

docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx:5.6.1

此命令将安装 EMQX 并启用 WebSocket，并可立即使用。有关在 EMQX 中配置 WebSocket 监听器的详细说明，请访问 EMQX 文档：配置 WebSocket 监听器。

2. 安装 MQTT.js：安装 MQTT.js 库以通过 WebSocket 与 MQTT Broker 进行交互：

npm install mqtt

3. 连接、订阅和发布：使用 MQTT.js 建立连接，订阅主题，并高效发布消息：

const mqtt = require("mqtt");

// 连接到 EMQX WebSocket 端口
const client = mqtt.connect("ws://localhost:8083/mqtt");

client.on("connect", () => {
    console.log("Connection established");
    // 订阅一个主题
    client.subscribe("topic/test", (err) => {
        if (!err) {
            // 发布一条消息
            client.publish("topic/test", "Hello MQTT over WebSocket");
        }
    });
});

// 记录接收到的消息
client.on("message", (topic, message) => {
    console.log(`Received message: ${message.toString()}`);
    // 收到消息后断开连接
    client.end();
});

这种简化的设置能够迅速将 MQTT 通信能力整合到任何 Web 应用中，利用 WebSocket 实现有效的实时数据交换。

Q&A

如何在 MQTT 与 WebSocket 之间做出选择？

• MQTT 最适合采用一对多通信模型的不稳定网络上的低功耗设备。为了确保与基于 Web 的客户端兼容，MQTT 可以运行在 WebSocket 之上。
• WebSocket 在一对一的实时交互场景中表现优异，尤其是在 Web 浏览器或其他需要直接连接的环境中。

MQTT over WebSocket 在物联网应用与 Web 技术之间架起了一座桥梁，使得通过浏览器进行实时交互成为可能。

是否有 MQTT over WebSokcet SDK？

对于 MQTT over WebSocket，MQTT.js 是一个出色的选择。它是一个为 MQTT 协议设计的客户端库，使用 JavaScript 编写，适用于 Node.js 和浏览器环境。

是否有适用于 MQTT over WebSocket 的测试工具？

推荐使用 MQTTX 来测试 MQTT over WebSocket。它是一个全能的、跨平台的 MQTT 客户端，提供桌面应用、CLI 工具和 Web 应用。

MQTT over TCP 与 MQTT over WebSocket 性能对比？

MQTT over TCP 由于直接使用 TCP 层，提供了更低的延迟和更少的开销，非常适合不稳定的网络和需要高效实时通信的应用。MQTT over WebSocket 虽然由于额外的帧处理引入了轻微的开销，但更适合 Web 应用。它通过标准 Web 端口提供了更容易的集成，并增强了与 HTTP 协议和防火墙穿透的兼容性。请根据您的应用对效率或 Web 集成的需求进行选择。

结语

在本文的探索中，我们深入了解了 MQTT 和 WebSocket 的独特特性和使用场景，突出了每种协议在物联网和 Web 应用中对特定需求的服务方式。

MQTT 在需要跨设备进行稳健、高效通信的环境中表现出色，而 WebSocket 则在实时、交互式网络环境中大放异彩。通过将 MQTT 与 WebSocket 结合，开发者可以利用两种协议的优势，确保在多样化的环境中无缝且安全的通信。这种结合增强了 Web 应用中的物联网功能，并扩大了可访问性，使得跨多平台的实时数据互动成为可能。

咨询 EMQ 技术专家

联系我们 →