Unterschied-Tcp-Websocket-Mqtt

Unterschied zwischen TCP, WebSocket und MQTT

TCP-Protokoll

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist ein verbindungsorientiertes Protokoll der Transportschicht. Es bietet eine zuverlässige, geordnete und fehlerfreie Übertragung von Daten zwischen Anwendungen.

Architektur von TCP

• Verbindungsaufbau: Mittels Drei-Wege-Handshake wird eine stabile Verbindung zwischen Sender und Empfänger aufgebaut.
• Datenübertragung: Daten werden in Segmente aufgeteilt und sequentiell übertragen.
• Flusskontrolle: TCP passt die Datenrate an die Empfangskapazität des Empfängers an.
• Fehlerkontrolle: Überprüfung der Datenintegrität durch Prüfsummen und erneutes Senden bei Fehlern.
• Verbindungsabbau: Beendet die Verbindung kontrolliert über einen Vier-Wege-Handshake.

Datenrate und Paketgrößen bei TCP

• Paketgrößen: TCP-Segmente haben einen Header von mindestens 20 Bytes. Die maximale Segmentgröße (MSS) variiert, ist jedoch typischerweise etwa 1.460 Bytes auf Ethernet-Netzwerken (basierend auf einer MTU von 1.500 Bytes abzüglich IP- und TCP-Header).
• Geschwindigkeit: TCP ist darauf ausgelegt, die verfügbare Bandbreite effizient zu nutzen. Durch Fluss- und Überlastkontrolle passt es die Geschwindigkeit an Netzwerkkonditionen an.

Vorteile von TCP

• Zuverlässigkeit: Sicherstellung der vollständigen und geordneten Datenübertragung.
• Weit verbreitet: Grundlage für viele Internetanwendungen (HTTP, SMTP, FTP).
• Fluss- und Fehlerkontrolle: Anpassung an Netzwerkkonditionen und Gewährleistung der Datenintegrität.

WebSocket-Protokoll

Das WebSocket-Protokoll ermöglicht eine bidirektionale Kommunikationsverbindung über einen einzigen TCP-Port. Es ist speziell für webbasierte Echtzeitanwendungen konzipiert.

Architektur von WebSocket

• Handshake-Prozess: Initialer Verbindungsaufbau erfolgt über einen HTTP-Upgrade-Header.
• Persistente Verbindung: Einmal etabliert, bleibt die Verbindung offen für kontinuierlichen Datenaustausch.
• Bidirektionale Kommunikation: Sowohl Client als auch Server können jederzeit Daten senden.
• Leichtgewichtiges Messaging: Minimiert den Overhead durch schlankes Protokolldesign.
• Subprotokolle: Unterstützt zusätzliche Protokollebenen für spezialisierte Kommunikationsmuster.

Datenrate und Paketgrößen bei WebSocket

• Paketgrößen: WebSocket-Frames haben einen minimalen Overhead von 2 Bytes für kurze Payloads (<126 Bytes). Bei größeren Nachrichten erhöht sich die Headergröße entsprechend. Zusätzlich wird beim Senden vom Client an den Server eine 4-Byte-Maskierung verwendet.
• Geschwindigkeit: WebSocket nutzt TCP für die Datenübertragung und bietet daher ähnliche Geschwindigkeiten. Durch den reduzierten Overhead nach dem initialen Handshake ist es effizienter als wiederholte HTTP-Anfragen.

Vorteile von WebSocket

• Echtzeitfähigkeit: Ideal für Anwendungen wie Chat, Spiele oder Aktienkurse, die sofortige Updates erfordern.
• Effizienz: Reduzierter Netzwerkoverhead im Vergleich zu wiederholten HTTP-Anfragen.
• Flexibilität: Unterstützt komplexe Kommunikationsmuster durch Subprotokolle.

MQTT-Protokoll

Das Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) ist ein leichtgewichtiges Nachrichtenprotokoll nach dem Publish/Subscribe-Prinzip, optimiert für IoT- und M2M-Kommunikation.

Architektur von MQTT

• Broker-gestützt: Zentraler MQTT-Broker vermittelt Nachrichten zwischen Clients.
• Publish/Subscribe-Modell: Clients veröffentlichen Nachrichten zu bestimmten Topics; Abonnenten erhalten relevante Nachrichten.
• Leichtgewichtig: Minimale Protokollheader reduzieren den Bandbreitenbedarf.
• Qualitätsstufen: Drei Stufen zur Nachrichtenübermittlung (QoS 0, 1, 2) für unterschiedliche Zuverlässigkeitsanforderungen.
• Session-Persistenz: Option zur Speicherung des Client-Status für intermittierend verbundene Geräte.

Datenrate und Paketgrößen bei MQTT

• Paketgrößen: MQTT-Nachrichten haben einen minimalen festen Header von 2 Bytes. Die Größe kann durch variable Header und Payload erhöht werden, bleibt jedoch insgesamt sehr gering, um Bandbreite zu sparen.
• Geschwindigkeit: MQTT ist für geringe Bandbreiten optimiert und ermöglicht effiziente Kommunikation selbst über langsame oder instabile Netzwerke.

Vorteile von MQTT

• Geringer Ressourcenbedarf: Perfekt für Geräte mit begrenzter Rechenleistung und Speicher.
• Robustheit: Zuverlässige Kommunikation auch über instabile Netzwerke.
• Skalierbarkeit: Effiziente Handhabung einer großen Anzahl von Clients und Nachrichten.

Vergleich und Unterschiede

Kommunikationsmodell

• TCP: Punkt-zu-Punkt, verbindungsorientiert.
• WebSocket: Bidirektional, persistent über TCP.
• MQTT: Publish/Subscribe, vermittelte Kommunikation über Broker.

Protokoll-Overhead und Paketgrößen

• TCP: Moderater Overhead durch Verbindungsmanagement und Fehlerkontrolle; Header mindestens 20 Bytes.
• WebSocket: Geringerer Overhead nach initialem Handshake; Frames mit minimalem Header von 2 Bytes.
• MQTT: Sehr geringer Overhead; Nachrichten mit minimalem Header von 2 Bytes.

Datenrate und Geschwindigkeit

• TCP: Anpassung der Datenrate an verfügbare Bandbreite; effizient bei großen Datenmengen.
• WebSocket: Hohe Geschwindigkeit durch persistente Verbindung und reduzierten Overhead; geeignet für Echtzeitanwendungen.
• MQTT: Optimiert für niedrige Datenraten; effizient bei geringer Bandbreite und hoher Latenz.

Anwendungsbereiche

• TCP: Allgemeine Datenübertragung, wo Zuverlässigkeit und Reihenfolge entscheidend sind.
• WebSocket: Webanwendungen mit Echtzeitkommunikation und Interaktivität.
• MQTT: IoT-Geräte, Sensorennetzwerke und mobile Anwendungen mit Bedarf an effizienter Datenübermittlung.

Zuverlässigkeit und Qualität der Dienstleistung

• TCP: Garantiert ordnungsgemäße und vollständige Datenlieferung.
• WebSocket: Nutzt TCP für Zuverlässigkeit, jedoch ohne eigene QoS-Mechanismen.
• MQTT: Bietet konfigurierbare QoS-Stufen für unterschiedliche Zuverlässigkeitsanforderungen.

Zusammenfassung der Unterschiede

Merkmal	TCP	WebSocket	MQTT
Schicht	Transport	Anwendung (über TCP)	Anwendung (über TCP/IP)
Kommunikation	Verbindungsorientiert	Bidirektional, persistent	Publish/Subscribe über Broker
Overhead	Moderat	Niedrig nach Handshake	Sehr niedrig
Paketgrößen	Header min. 20 Bytes	Frame-Header ab 2 Bytes	Header ab 2 Bytes
Datenrate	Anpassung an Bandbreite	Hoch durch persistenten Kanal	Optimiert für niedrige Bandbreiten
Zuverlässigkeit	Hoch	Hoch (über TCP)	Konfigurierbar (QoS 0, 1, 2)
Anwendungsgebiet	Allgemeine Datenübertragung	Echtzeit-Webanwendungen	IoT, M2M-Kommunikation
Skalierbarkeit	Begrenzt durch Verbindungen	Gut für Webclients	Hoch durch zentrales Brokering

---

TCPWebSocketMQTTProtokolleNetzwerkarchitekturIoTEchtzeitkommunikationPublishSubscribeDatenratePaketgrößen

Networking-Overview