摘 要：推送技術(shù)以其實(shí)時(shí)性高和資源占用小等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到應(yīng)用。首先介紹了煤礦Web實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了這一實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)；其次，對(duì)比了輪詢和推送兩種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)；最后，介紹了推送技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：推送；實(shí)時(shí)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；輪詢

中圖分類號(hào)：TP391

近年來(lái)，煤礦各種安全事故頻發(fā)，為保障煤礦安全生產(chǎn)和職工人身安全，防止煤礦事故，2006年底，國(guó)家安監(jiān)總局發(fā)布的《關(guān)于修改〈煤礦安全規(guī)程〉第六十八條和第一百五十八條的決定》中明確指出：所有礦井必須裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)[1]。隨后，越來(lái)越多的煤礦企業(yè)配備安裝了各種安全監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)備，這大大提升了煤礦安全生產(chǎn)水平，降低了事故發(fā)生率。伴隨著硬件裝備的不斷升級(jí)，與之配套的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也得到了較快發(fā)展，尤其是基于B/S架構(gòu)的Web實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以其使用方便、易于維護(hù)、信息資料共享程度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。一些新的信息交互技術(shù)被應(yīng)用于系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、友好性等方面都有了較大提升。目前，廣泛采用輪詢方式實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)展示，但這種效率低下的方式已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足不斷提升的煤礦Web系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)端資源都造成了很大的壓力。

針對(duì)上述情況，本文介紹了目前新興的實(shí)時(shí)信息交互技術(shù)-推送技術(shù)，這一技術(shù)不僅為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)了更高的實(shí)時(shí)性，也極大的降低了服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，提升了煤礦安全生產(chǎn)管理的信息化水平。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交互模式

煤礦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求將監(jiān)測(cè)到的最新數(shù)據(jù)在第一時(shí)間顯示到系統(tǒng)中，以便監(jiān)控人員及時(shí)根據(jù)信息做出響應(yīng)。根據(jù)煤礦監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)變化時(shí)間不定，有些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，比如風(fēng)速或瓦斯?jié)舛鹊?；另有一些?shù)據(jù)，例如風(fēng)門設(shè)備的開(kāi)停狀態(tài)，變化頻率就很低。對(duì)于這種要求實(shí)時(shí)性高卻數(shù)據(jù)更新周期不定的系統(tǒng)，就需要有一個(gè)數(shù)據(jù)交互機(jī)制來(lái)滿足這類實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。傳統(tǒng)模式和基于推送技術(shù)的模式都可實(shí)現(xiàn)這類需求，但有截然不同的工作原理。

1.1 傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式

理想的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該是當(dāng)服務(wù)端識(shí)別到數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，立刻主動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。然而，HTTP作為客戶端-服務(wù)器通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它是無(wú)狀態(tài)的，而且在某種意義上來(lái)說(shuō)，也是一種單向的協(xié)議。HTTP場(chǎng)景中所有通信都必須由客戶端發(fā)起，至服務(wù)器結(jié)束，服務(wù)器端僅是被動(dòng)等待客戶端發(fā)出請(qǐng)求之后將數(shù)據(jù)傳送給客戶端。這與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的場(chǎng)景要求恰好相反。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，Web開(kāi)發(fā)人員采用一種稱為輪詢的方式，客戶端會(huì)以固定的時(shí)間間隔與服務(wù)器聯(lián)系，查找是否有新數(shù)據(jù)可用，如圖1所示，為輪詢的工作原理。但這實(shí)際上是一種偽實(shí)時(shí)場(chǎng)景，數(shù)據(jù)雖然被以一定頻率顯示到客戶端，但無(wú)法與數(shù)據(jù)更新頻率完全一致，這種更新機(jī)制不是真正意義上的實(shí)時(shí)更新。

圖1 輪詢工作原理

從圖1例子可知，這段時(shí)間內(nèi)客戶端以固定間隔請(qǐng)求服務(wù)器5次，服務(wù)器響應(yīng)了5次，其中僅有2次響應(yīng)包含了最新數(shù)據(jù)，且最新數(shù)據(jù)只是在數(shù)據(jù)更新之后的最近一次輪詢響應(yīng)后才發(fā)送到客戶端。

輪詢方式已經(jīng)廣泛用于煤礦Web監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。這種方式只要客戶端加入定時(shí)獲取數(shù)據(jù)的少量腳本代碼，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)更新。一些成熟的技術(shù)如Ajax，是目前最廣泛的實(shí)現(xiàn)方式。

然而，輪詢也存在著較大問(wèn)題，主要有以下兩方面：（1）資源消耗大。在大多數(shù)時(shí)候，輪詢純粹是浪費(fèi)，因而服務(wù)器沒(méi)有任何更新。這種方法不是沒(méi)有代價(jià)的，它有兩大問(wèn)題。一方面，這種方法極度浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。每一個(gè)輪詢請(qǐng)求都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)TCP套接字連接，套接字連接本身代價(jià)極高，需要服務(wù)器更多的CPU和內(nèi)存資源；另一方面，每次請(qǐng)求都要在網(wǎng)絡(luò)上傳輸一些數(shù)據(jù)，如果請(qǐng)求未在服務(wù)器上發(fā)現(xiàn)任何更新，那么這樣的數(shù)據(jù)傳輸就是浪費(fèi)帶寬資源。（2）實(shí)時(shí)性差?？紤]到輪詢的頻率，這樣的更新并不是實(shí)時(shí)的。例如，輪詢方式采用固定的時(shí)間間隔請(qǐng)求數(shù)據(jù)，如果在下一個(gè)請(qǐng)求周期到來(lái)之前，數(shù)據(jù)發(fā)生多次變化，用戶將只能看到最后一次的新數(shù)據(jù)而錯(cuò)過(guò)某些數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)時(shí)看到所有變化。這就要求請(qǐng)求的時(shí)間間隔與數(shù)據(jù)更新時(shí)間完全匹配，這對(duì)于數(shù)據(jù)更新周期不定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是不可能的。對(duì)于需要以盡可能實(shí)時(shí)方式運(yùn)行的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，這樣的等待也是不可接受的?？紤]到如上兩大問(wèn)題，對(duì)于需要關(guān)鍵、實(shí)時(shí)的服務(wù)器端更新的企業(yè)應(yīng)用程序而言，輪詢并非最佳方案。

1.2 基于推送技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式

為解決輪詢方式資源占用大和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)人員采用了一種稱為推送的方式，實(shí)現(xiàn)了更為有效的Web實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。推送是一種主動(dòng)從Web服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)到瀏覽器的機(jī)制。雖然HTTP協(xié)議并無(wú)相關(guān)配置來(lái)直接實(shí)現(xiàn)此機(jī)制，開(kāi)發(fā)人員使用各種獨(dú)創(chuàng)方法來(lái)繞過(guò)這些問(wèn)題，從而使得推送得以實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，為推送的工作原理。

圖2 推送工作原理

從圖2中例子可知，這段時(shí)間內(nèi)客戶端僅在首次建立了請(qǐng)求連接，之后沒(méi)有請(qǐng)求。服務(wù)端響應(yīng)了2次，這2次都包含了最新數(shù)據(jù)，最新數(shù)據(jù)在到達(dá)服務(wù)器第一時(shí)間發(fā)送到客戶端，沒(méi)有延遲。

推送技術(shù)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)時(shí)性強(qiáng)。推送正是為了滿足Web系統(tǒng)更高實(shí)時(shí)性的要求應(yīng)運(yùn)而生的。服務(wù)器端完全能夠控制更新數(shù)據(jù)的時(shí)間和頻率，與傳統(tǒng)輪詢請(qǐng)求更新的模式相比，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的實(shí)時(shí)更新。（2）資源消耗少。推送技術(shù)由于一直保持連接，不像輪詢每次都要進(jìn)行重新建立連接和發(fā)送完整而冗余的信息，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用和服務(wù)器CPU資源及內(nèi)存消耗都較小。當(dāng)然，由于始終保持連接，即使無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也如此，因此服務(wù)器必須為每個(gè)推送鏈接分配并讓其一直占用一個(gè)TCP套接字連接，這對(duì)于TCP/IP端口數(shù)有限的服務(wù)器是一個(gè)必須關(guān)注的問(wèn)題。只要將推送技術(shù)主要用于實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的核心模塊，這一資源消耗是可以忽略了。

推送技術(shù)目前存在的主要不足是實(shí)現(xiàn)方式較為復(fù)雜。由于HTTP協(xié)議在底層不直接提供對(duì)推送的支持，因此實(shí)現(xiàn)推送的方式并不容易。另外，開(kāi)發(fā)人員固有的研發(fā)思路和開(kāi)發(fā)模式，也使得對(duì)推送這一新技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線較為陡峭。隨著對(duì)推送技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，其學(xué)習(xí)難度在逐漸下降，實(shí)現(xiàn)方式也在不斷簡(jiǎn)化和完善。

2 推送技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

推送技術(shù)在應(yīng)用中已有不少解決方案，主要分為兩類：一類采用瀏覽器插件技術(shù)（ActiveX、Applet、Flash），基于套接口傳送信息，或是使用RMI、CORBA進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用[2]；另一類則無(wú)需安裝插件，基于HTTP長(zhǎng)鏈接或最新的HTTP5標(biāo)準(zhǔn)。以下介紹幾種常見(jiàn)的推送實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2.1 Comet

Comet是基于HTTP長(zhǎng)連接的推送技術(shù)，有流方式和長(zhǎng)輪詢方式。其工作原理是：用戶發(fā)起請(qǐng)求后就掛起，等待服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)，在此期間不會(huì)斷開(kāi)連接。流和長(zhǎng)輪詢方式的區(qū)別是：前者在客戶端發(fā)起連接就不會(huì)斷開(kāi)連接，并由服務(wù)器端進(jìn)行控制。當(dāng)服務(wù)器端有更新時(shí)，刷新數(shù)據(jù)，客戶端進(jìn)行更新；而后者是當(dāng)服務(wù)器端有更新返回，客戶端先斷開(kāi)連接，進(jìn)行處理，然后重新發(fā)起連接。

Comet雖然可達(dá)到雙向通信，但依然需要發(fā)出請(qǐng)求，而且會(huì)大量消耗服務(wù)器帶寬和資源。

2.2 WebSocket

WebSocket是HTML5標(biāo)準(zhǔn)中的一種新協(xié)議，它支持瀏覽器與服務(wù)器的雙向通信[3]，只需要一個(gè)握手動(dòng)作，瀏覽器和服務(wù)器之間就形成了一條快速通道以便互相傳送數(shù)據(jù)。這一技術(shù)的出現(xiàn)第一次從底層支持推送，而無(wú)需開(kāi)發(fā)人員采用變通方法實(shí)現(xiàn)推送，大大提高了推送效率，降低了資源消耗。然而，目前這一技術(shù)存在的不足在于其需要瀏覽器內(nèi)核的支持，目前現(xiàn)代瀏覽器如Firefox 4、Chrome 4、IE10及以上版本等，都已經(jīng)支持WebSocket標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)于IE9及以下版本，無(wú)法直接支持WebSocket。

2.3 SignalR

以上介紹了幾種常見(jiàn)的推送實(shí)現(xiàn)方式，由于不同方式需要的支撐環(huán)境不同，需要瀏覽器、插件、運(yùn)行平臺(tái)等方面的支持，這給開(kāi)發(fā)人員提出了較高要求。目前，已經(jīng)出現(xiàn)幾種較好的解決方案，屏蔽了以上這些技術(shù)細(xì)節(jié)，讓開(kāi)發(fā)人員專注于業(yè)務(wù)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，大大簡(jiǎn)化了推送功能的實(shí)現(xiàn)，SignalR就是其中較有代表性的方案之一。

SignalR是一個(gè)微軟.NET框架庫(kù)和jQuery插件，是集成的客戶端與服務(wù)器庫(kù)，基于瀏覽器的客戶端和基于ASP.NET的服務(wù)器組件可以借助它進(jìn)行雙向多步對(duì)話。該對(duì)話不受限制地進(jìn)行單個(gè)無(wú)狀態(tài)請(qǐng)求/響應(yīng)數(shù)據(jù)交換；它將繼續(xù)直到明確關(guān)閉。對(duì)話通過(guò)永久連接進(jìn)行，允許客戶端向服務(wù)器發(fā)送多個(gè)消息，并允許服務(wù)器做出相應(yīng)答復(fù)，值得注意的是，還允許服務(wù)器向客戶端發(fā)送異步消息。它是基于現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合體。SignalR屏蔽了底層具體的推送實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，一般情況下，它會(huì)使用Comet進(jìn)行推送，如果瀏覽器支持WebSocket，它就采用WebSocket方式。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)推送技術(shù)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行介紹，了解了推送技術(shù)的主要工作機(jī)制及適用領(lǐng)域，其高實(shí)時(shí)性和資源占用小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合煤礦Web實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雖然目前在這一領(lǐng)域尚未廣泛應(yīng)用推送技術(shù)，但可以預(yù)知，這將是實(shí)現(xiàn)下一代煤礦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：柳波（1982.9-），男，北京人，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事煤炭行業(yè)安全信息化軟件的研發(fā)工作。

作者單位：煤炭科學(xué)研究總院北京分院，北京 100083

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題：礦井動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)及在用設(shè)備智能管控技術(shù)平臺(tái)與裝備（基于物聯(lián)網(wǎng)安全管控技術(shù)）。課題編號(hào)：2013BAK06B05。