賴建智

(福建省國(guó)土測(cè)繪院，福建 廈門　361000)

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WebSocket在實(shí)時(shí)WebGIS中的應(yīng)用

賴建智*

(福建省國(guó)土測(cè)繪院，福建 廈門361000)

摘要：針對(duì)實(shí)時(shí)WebGIS應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)效性要求高的特點(diǎn)，介紹了WebSocket的原理、特點(diǎn)及其相對(duì)傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)，并將WebSocket技術(shù)引入到實(shí)時(shí)WebGIS系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種基于WebSocket的實(shí)時(shí)WebGIS體系架構(gòu)，在保證常規(guī)查詢分析業(yè)務(wù)需求的同時(shí)又可以較好地滿足實(shí)時(shí)WebGIS的時(shí)效性要求，提高了實(shí)時(shí)WebGIS系統(tǒng)的性能，為該類應(yīng)用提供了有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：WebSocket；WebGIS；實(shí)時(shí)；服務(wù)器推送

1引言

Google Map在WebGIS發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，借助Ajax技術(shù)，用戶可以直接在網(wǎng)頁(yè)上加載地圖而不必安裝額外的軟件或插件，Web客戶端可以動(dòng)態(tài)地從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并在地圖上進(jìn)行疊加和分析，而且整個(gè)交互過程不必刷新頁(yè)面，使得Web體驗(yàn)有如桌面應(yīng)用搬的流暢[1]，在線電子地圖及其相關(guān)的應(yīng)用也得到了快速的發(fā)展，WebGIS逐漸成為真正大眾化的應(yīng)用[2]。

傳統(tǒng)的WebGIS架構(gòu)基于客戶端請(qǐng)求—服務(wù)器端響應(yīng)的工作模式，服務(wù)器只能被動(dòng)的響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求而無(wú)法主動(dòng)向客戶端推送消息。隨著GIS應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和深化，這種模式已經(jīng)越來(lái)越不能滿足各種實(shí)時(shí)WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)的需求，期間出現(xiàn)的輪詢[3]、comet[4]等方案也只能從一定程度上改善客戶端和服務(wù)器的交互方式，仍然存在明顯的缺陷。WebSocket的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了客戶端和服務(wù)器的全雙工通信，使得真正意義上的實(shí)時(shí)WebGIS成為可能。

2傳統(tǒng)WebGIS應(yīng)用的構(gòu)成與特點(diǎn)

傳統(tǒng)WebGIS系統(tǒng)的信息交互基于HTTP協(xié)議“請(qǐng)求—響應(yīng)”的消息循環(huán)，即客戶端是服務(wù)的需求方，不斷向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，而服務(wù)器是數(shù)據(jù)和服務(wù)的提供者，始終以被動(dòng)響應(yīng)的方式向客戶端提供信息，只有在客戶端提出服務(wù)請(qǐng)求時(shí)服務(wù)器才做出響應(yīng)并反饋給客戶端。利用Ajax技術(shù)，客戶端可以實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)獲取，對(duì)于耗時(shí)的請(qǐng)求，在數(shù)據(jù)返回之前頁(yè)面不會(huì)阻塞，用戶可以進(jìn)行其他的操作。這種形式的信息交互廣泛存在于Web查詢分析應(yīng)用系統(tǒng)中，基本能滿足常規(guī)的應(yīng)用需求，如圖1所示。

3實(shí)時(shí)WebGIS應(yīng)用的特點(diǎn)及傳統(tǒng)解決方案

實(shí)時(shí)WebGIS應(yīng)用是一類對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)，如各種實(shí)時(shí)信息發(fā)布WebGIS系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)控WebGIS系統(tǒng)等。與查詢分析式WebGIS系統(tǒng)相比，該類應(yīng)用最顯著的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)時(shí)效性要求苛刻，服務(wù)器不能作為單純的被動(dòng)響應(yīng)方，而需要能夠主動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端以保證信息的即時(shí)性。由于傳統(tǒng)的WebGIS是在HTTP協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)建的基于“請(qǐng)求—響應(yīng)”的模型，服務(wù)器不支持主動(dòng)響應(yīng)，因此在實(shí)時(shí)WebGIS應(yīng)用的場(chǎng)合顯得力不從心。

在WebSocket出現(xiàn)之前針對(duì)實(shí)時(shí)WebGIS應(yīng)用需求典型的解決方案如基于輪詢的方法和基于客戶端插件的方法等，這些方法可以從一定程度上滿足實(shí)時(shí)性的要求，但仍然存在一些明顯的缺陷：輪詢的方法依然是基于HTTP的“請(qǐng)求—響應(yīng)”，它通過客戶端不斷地向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求來(lái)達(dá)到信息同步的目的，這種方案無(wú)法保證每次請(qǐng)求的數(shù)據(jù)都是最新的，且頻繁的數(shù)據(jù)請(qǐng)求將對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利的影響；基于插件的方案可以模擬服務(wù)器和客戶端之間的雙向通信，但是額外的插件安裝帶來(lái)的資源占用、插件升級(jí)、安全漏洞以及瀏覽器的支持性等問題使其無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。

4WebSocket的原理與特點(diǎn)

WebSocket是基于TCP連接的通訊協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)了客戶端瀏覽器和服務(wù)器之間的全雙工通信，從根本上改變了客戶端瀏覽器和服務(wù)器的交互方式。WebSocket的基本原理是，客戶端瀏覽器首先向服務(wù)器發(fā)出一個(gè)包含申請(qǐng)通訊協(xié)議升級(jí)的HTTP請(qǐng)求，服務(wù)器收到并解析這個(gè)特殊的HTTP請(qǐng)求然后將其與客戶端之間的HTTP協(xié)議升級(jí)至WebSocket協(xié)議并作出響應(yīng)，通過這個(gè)過程，客戶端和服務(wù)器之間完成“握手”，二者建立起WebSocket連接。由于WebSocket連接本質(zhì)上是基于TCP的連接，具備TCP連接全雙工及高可靠性的特點(diǎn)，這個(gè)連接一旦建立會(huì)持續(xù)保持，直至客戶端瀏覽器或者服務(wù)器中任何一方主動(dòng)斷開該，且通訊雙方在連接建立以后都可以向?qū)Ψ街鲃?dòng)地發(fā)送消息，為客戶端和服務(wù)器之間的信息同步提供了可靠保證，如圖2所示。

WebSocket通信協(xié)議于2011年被IETF認(rèn)定為RFC 6455標(biāo)準(zhǔn)，WebSocket API也被W3C定為Web的標(biāo)準(zhǔn)，WebSocket逐漸得到了各大主流瀏覽器的支持，這些使得WebSocket的推廣應(yīng)用成為可能。

5WebSocket在實(shí)時(shí)WebGIS中的應(yīng)用

WebSocket彌補(bǔ)了常規(guī)HTTP協(xié)議只能進(jìn)行單向信息傳遞的不足，使得客戶端瀏覽器與服務(wù)器之間的關(guān)系變得“對(duì)等”，服務(wù)器也可以主動(dòng)地向客戶端推送信息。因此，將WebSocket引入到實(shí)時(shí)WebGIS系統(tǒng)中，可以很好地滿足此類應(yīng)用對(duì)于信息即時(shí)性的苛刻要求。

如圖3所示為一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控WebGIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)由傳感器、客戶端和服務(wù)器端三個(gè)邏輯層構(gòu)成，不同層之間以及同層內(nèi)部通過Internet進(jìn)行互連。各邏輯層的分工如下：

客戶端是系統(tǒng)與用戶交互的窗口，用戶通過客戶端瀏覽地理信息以及通過客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求；來(lái)自服務(wù)器的信息通過客戶端以圖形、表格等有效的形式展示給用戶。客戶端的數(shù)量任意多個(gè)，可能是PC上的瀏覽器，也可能是移動(dòng)設(shè)備上的瀏覽器。

服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)推送及業(yè)務(wù)邏輯處理，其中，GIS數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的場(chǎng)所，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其中，為整個(gè)WebGIS系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支持。

圖3基于WebSocket的實(shí)時(shí)WebGIS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器針對(duì)非實(shí)時(shí)性的查詢分析需求，負(fù)責(zé)處理來(lái)自客戶端的請(qǐng)求，并將處理結(jié)果返回客戶端。業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器是一個(gè)抽象層，由Web服務(wù)器和GIS應(yīng)用服務(wù)器組成，其中，Web服務(wù)器是基礎(chǔ)層，所有請(qǐng)求的獲取和應(yīng)答的轉(zhuǎn)發(fā)都經(jīng)由Web服務(wù)器傳輸。一般的非空間業(yè)務(wù)請(qǐng)求由Web服務(wù)器直接處理并做出響應(yīng)；對(duì)于空間數(shù)據(jù)相關(guān)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，Web服務(wù)器做預(yù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給GIS服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)的空間分析處理，再經(jīng)由Web服務(wù)器返回給客戶端。所有“請(qǐng)求—響應(yīng)”過程基于Ajax的異步處理，可以保證即使在耗時(shí)的請(qǐng)求中客戶端也不會(huì)因?yàn)榈却?wù)器的響應(yīng)而阻塞界面。

由于WebSocket本質(zhì)上是基于TCP/IP的全雙工通訊協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸不依賴于Web服務(wù)器的轉(zhuǎn)接，同時(shí)考慮到與業(yè)務(wù)邏輯的相對(duì)獨(dú)立性，將實(shí)時(shí)監(jiān)控與推送處理部分分離出來(lái)，由WebSocket服務(wù)器獨(dú)立承擔(dān)，專門負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)聽和推送?？蛻舳嗽诘卿浐笈cWebSocket服務(wù)器建立起持久連接，WebSocket服務(wù)器通過與傳感器相連搜集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，WebSocket可以在第一時(shí)間往客戶端推送，確保了客戶端客戶端中信息的時(shí)效性。

6結(jié)論

實(shí)時(shí)WebGIS是GIS的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)合，與常規(guī)WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)相比其對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)效性提出了較高的要求，傳統(tǒng)基于HTTP的“請(qǐng)求—響應(yīng)”的方法難以滿足該類應(yīng)用的需求。WebSocket的出現(xiàn)從本質(zhì)上改變了Web系統(tǒng)中客戶端瀏覽器與服務(wù)器的交互方式，使得服務(wù)器可以主動(dòng)地向客戶端瀏覽器推送數(shù)據(jù)。WebSocket為實(shí)時(shí)WebGIS應(yīng)用提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)方式，可以及大地提高實(shí)時(shí)WebGIS系統(tǒng)的性能，滿足不同的應(yīng)用需求。

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Discussion on WebSocket’s Application in Real-Time WebGIS

Lai Jianzhi

(Fujian Province Land Institute of Surveying and Mapping，Xiamen 361000，China)

Key words：WebSocket； WebGIS； Real-Time； Server Push

Abstract：For the requirement for data instantaneity in real-time WebGIS application，this paper introduces the principle and character of WebSocket and its advantages against traditional methods，then introduces WebSoket into real-time WebGIS application and designs a WebSocket-based system architecture for real-time WebGIS which not only guarantees conventional query and analysis requirement but also fill the instantaneity requirement and promotes the system’s performance.This WebSocket-based system architecture also provides effective solution for other application of this type.

文章編號(hào)：1672-8262(2016)03-127-03

中圖分類號(hào)：P209

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

*收稿日期：2016—02—19

作者簡(jiǎn)介：賴建智(1989—)，男，助理工程師，主要從事空間數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)及GIS應(yīng)用研究。