黃澤文++雷景生

摘 要 本文分析了目前幾種Web實(shí)時(shí)通信方案的特點(diǎn)，著重研究了基于WebSocket的實(shí)時(shí)通信機(jī)制。在電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用該機(jī)制，使用Jmeter測(cè)試其性能，結(jié)果表明WebSocket具有高實(shí)時(shí)性、低網(wǎng)絡(luò)流量、對(duì)服務(wù)器端壓力小的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】WebSocket 電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) Jmeter

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步和智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，用電需求量也持續(xù)增長(zhǎng)。與之伴隨的是用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)急劇增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量。在物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，為了便于用戶實(shí)時(shí)地掌控管理設(shè)備用電情況，為用戶用電合理地調(diào)度提出決策支持，一種基于Web的用戶側(cè)用電信息實(shí)時(shí)、精確、可視化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性提出了很高的要求。傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)Web方案存在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較高，滿足不了實(shí)時(shí)性需求；數(shù)據(jù)傳輸耗費(fèi)大量的網(wǎng)絡(luò)流量，造成帶寬浪費(fèi)；無法完全做到全雙工通信；不能有效地滿足大量用戶并發(fā)訪問服務(wù)的需求等缺點(diǎn)，從而不能夠滿足電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能需求。在該系統(tǒng)中采用了一種新的實(shí)時(shí)Web方案——WebSocket技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了WebSocket傳輸實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)的功能。并利用軟件測(cè)試工具Jmeter測(cè)試其運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)行評(píng)估。

1 傳統(tǒng)的Web實(shí)時(shí)通信方案

Web應(yīng)用的信息交互方式通常是客戶端通過瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，服務(wù)器接收處理該請(qǐng)求并返回結(jié)果給客戶端，客戶端瀏覽器將信息呈現(xiàn)。這種機(jī)制對(duì)于信息變化不頻繁的應(yīng)用尚能應(yīng)對(duì)，但對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高、海量并發(fā)的應(yīng)用來說，該機(jī)制完全不能勝任。在WebSocket規(guī)范出來之前，傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)Web應(yīng)用方案有輪詢（polling）、Comet技術(shù)。

1.1 輪詢技術(shù)

輪詢是最早的一種實(shí)時(shí)Web應(yīng)用方案，是一種定時(shí)的同步調(diào)用?？蛻舳讼蚍?wù)器以固定的時(shí)間間隔發(fā)出請(qǐng)求，查看是否有新信息需要傳送。輪詢通過頻繁的請(qǐng)求方式來保持客戶端與服務(wù)器端的同步。當(dāng)客戶端頻繁地發(fā)送請(qǐng)求，而服務(wù)器端可能沒有數(shù)據(jù)更新時(shí)，輪詢方式會(huì)帶來很多無謂的網(wǎng)絡(luò)傳輸造成帶寬的浪費(fèi)，也導(dǎo)致了CPU利用率的浪費(fèi)，所以輪詢其實(shí)是一種非常低效的實(shí)時(shí)方案。

1.2 Comet技術(shù)

Comet是一種基于HTTP長(zhǎng)連接、無需在瀏覽器端安裝插件的“服務(wù)器推”技術(shù)。Comet技術(shù)可以細(xì)分為三種實(shí)現(xiàn)方式，分別是基于長(zhǎng)輪詢（long polling）、基于iframe和基于流（stream）的方式。Comet技術(shù)一定程度上提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能力減少了服務(wù)器的計(jì)算工作，并且能夠支持大量用戶。但由于其長(zhǎng)期占用連接從而喪失了無狀態(tài)高并發(fā)的特點(diǎn)，具有一定的副作用。

2 基于WebSocket的實(shí)時(shí)通信

WebSocket協(xié)議是HTML5標(biāo)準(zhǔn)中提出的一種新的協(xié)議，WebSocket設(shè)計(jì)的初衷就是要取代輪詢和Comet技術(shù)，使得瀏覽器具備實(shí)時(shí)、雙向通信的能力。WebSocket協(xié)議主要包括兩個(gè)階段，其一是瀏覽器與Web服務(wù)器的“握手”階段，其二是基于TCP的數(shù)據(jù)幀傳輸階段。在“握手”階段完成WebSocket連接的建立，連接成功后進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)幀的傳輸。

2.1 WebSocket協(xié)議“握手”階段

在WebSocket的握手階段，瀏覽器與服務(wù)器之間首先通過TCP三次握手建立連接，連接成功后瀏覽器通過HTTP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，服務(wù)器接收驗(yàn)證該請(qǐng)求報(bào)文并向?yàn)g覽器返回一個(gè)HTTP數(shù)據(jù)包，瀏覽器對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)，如果正確，則握手連接建立成功，瀏覽器與服務(wù)器之間建立用于數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)腡CP連接。瀏覽器與服務(wù)器端建立連接的過程如圖1所示。

下面是TCP連接建立成功后，瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送給的HTTP請(qǐng)求的報(bào)文：

服務(wù)器接收到客戶端的握手請(qǐng)求報(bào)文后，需要對(duì)WebSocket子協(xié)議的支持類型和協(xié)議版本進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)Sec-WebSocket-Key字段進(jìn)行處理，具體做法為：將Sec-WebSocket-Key字段加上字符“258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11”，采用HA-1方法加密，在進(jìn)行base64編碼后得到結(jié)果，并在應(yīng)答報(bào)文中將結(jié)果賦給Sec-WebSocket-Accept字段。服務(wù)器返回給瀏覽器的HTTP應(yīng)答報(bào)文如下：

瀏覽器對(duì)報(bào)文中的返回狀態(tài)碼及Sec-WebSocket-Accept字段進(jìn)行驗(yàn)證，如果正確，則握手成功，如此，瀏覽器和服務(wù)器就可以通過專用的TCP連接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

2.2 TCP數(shù)據(jù)幀傳輸階段

WebSocket只有在第一次握手時(shí)數(shù)據(jù)交互比較復(fù)雜，握手成功后，瀏覽器與服務(wù)器之間只傳輸純數(shù)據(jù)。WebSocket按照數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀由三部分構(gòu)成：控制字節(jié)、控制擴(kuò)展字節(jié)和傳輸數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式如圖2所示。

3 WebSocket在電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用

電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種對(duì)一定區(qū)域內(nèi)用電設(shè)備電能能耗以及用電環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電能信息（電壓、電流、功率、地理位置、溫度、濕度、光照等）采集功能，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，利用數(shù)據(jù)庫和Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和實(shí)時(shí)顯示，而WebSocket技術(shù)正是并發(fā)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸

電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的采集傳輸部分采用了結(jié)合ZigBee和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)兩部分，如圖3所示，設(shè)計(jì)目的是為了將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并以多跳變的方式傳送到ZigBee匯節(jié)點(diǎn)，匯節(jié)點(diǎn)接收、傳送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對(duì)Zigbee數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，從中提取出有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將其封裝打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包，通過以太網(wǎng)傳送至服務(wù)器。

3.2 服務(wù)器端引入緩存機(jī)制

為了減少信息傳輸?shù)难舆t，電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在Web服務(wù)器中引入了緩存機(jī)制，顯著縮短客戶端和服務(wù)器之間的響應(yīng)時(shí)間。緩存機(jī)制是一種“用空間換取時(shí)間”的方法。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫都是硬盤數(shù)據(jù)庫，CPU讀寫硬盤的速率很大程度上制約了數(shù)據(jù)訪問效率。在Web服務(wù)器中使用實(shí)時(shí)狀態(tài)緩沖區(qū)（Real State Cache）存放，這個(gè)緩沖區(qū)實(shí)時(shí)記錄了最新的電能信息。本系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電能信息有：電流、電壓、功率、用電設(shè)備GPS信息、溫度、濕度、光照等，這些電能信息能夠有效反映用電設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)和環(huán)境，服務(wù)器至客戶端的信息流圖如圖4所示。

當(dāng)客戶端向服務(wù)器端發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端采用WebSocket技術(shù)向?qū)崟r(shí)狀態(tài)緩存區(qū)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)以JSON數(shù)據(jù)格式返回給客戶端，在客戶端使用JavaScript解析JSON數(shù)據(jù)。使用緩存機(jī)制，一定程度上節(jié)省了訪問數(shù)據(jù)庫的時(shí)間，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。

3.3 WebSocket在電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的WEB應(yīng)用程序中，服務(wù)器端采用Tomcat 8。Tomcat在7.0.27版本之后加入了對(duì)WebSocket的支持?？蛻舳耸褂肏TML5，HTML5定義了WebSocket協(xié)議。

3.3.1 服務(wù)器端的WebSocket實(shí)現(xiàn)

在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)WebSocket的主要過程如下：

（1）創(chuàng)建一個(gè)保存有所連接Inbound的集合connections；

（2）在覆寫的MessageInbound類DemoMessageInbound中重寫事件觸發(fā)函數(shù)，如表1所示。

（3）將數(shù)據(jù)返回給客戶端：private void broadcast（String message） {...}

這樣，服務(wù)器端就實(shí)現(xiàn)WebSocket的功能。此外，在Tomcat8之后，支持注解（annotation）的編程方式。

3.3.2 客戶端的WebSocket實(shí)現(xiàn)

客戶端與服務(wù)器端在初始握手時(shí)，將HTTP協(xié)議升級(jí)為WebSocket協(xié)議，握手成功后，雙方便能以全雙工模式相互傳遞數(shù)據(jù)。同時(shí)，HTML5還定義了在JavaScript中使用的WebSocket接口。

客戶端實(shí)現(xiàn)WebSocket的步驟如下：

（1）創(chuàng)建一個(gè)Socket實(shí)例：var socket = new WebSocket（"ws：//localhost：8080"）；

（2）使用時(shí)間偵聽器處理連接過程中觸發(fā)的事件：

socket.onopen = function（event）{...}；

socket.onmessage = function（event）{...}；

Socket.onclose = function（event）{...}；

（3）在WebSocket處于打開狀態(tài)時(shí)，可以向服務(wù)器端發(fā)送消息：

Socket.send（“message from client！”）；

在客戶端實(shí)現(xiàn)了使用WebSocket與服務(wù)器端雙向通信的功能之后，就能用瀏覽器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從用電設(shè)備上采集到的用電信息。在電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將WebSocket傳輸?shù)男畔⒆鳛閿?shù)據(jù)源，使用百度ECHARTS繪制動(dòng)態(tài)圖表，調(diào)用百度地圖API在網(wǎng)頁中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某區(qū)域用電設(shè)備信息及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)潢P(guān)系。大樓內(nèi)空調(diào)機(jī)實(shí)時(shí)電壓電流數(shù)據(jù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)拓?fù)淙鐖D5所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

在本實(shí)驗(yàn)中，利用Jmeter這款Web性能測(cè)試工具對(duì)電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中空調(diào)機(jī)實(shí)時(shí)電能數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行測(cè)試。Apache Jmeter可以用于對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)資源的性能進(jìn)行測(cè)試。可以用于對(duì)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)或?qū)ο竽M繁重的負(fù)載來測(cè)試它們的強(qiáng)度或者分析不同壓力下類型下的整體性能。本實(shí)驗(yàn)使用Jmeter得出服務(wù)器端websocket響應(yīng)的圖形結(jié)果和聚合報(bào)告。待測(cè)試服務(wù)器軟硬件軟硬件配置如表2所示。

在實(shí)驗(yàn)中，通過不斷增加虛擬用戶的數(shù)量，利用Jmeter生成聚合報(bào)告和圖形結(jié)果，據(jù)此分析websocket的各項(xiàng)性能指標(biāo)。表3是對(duì)空調(diào)機(jī)實(shí)時(shí)電壓電流數(shù)據(jù)信息顯示頁面增加一個(gè)WebSocket采樣器得出的聚合報(bào)告結(jié)果。

表3中，Throughtput是指每秒發(fā)生的采樣數(shù)，KB/sec是每秒從服務(wù)器端接收到的數(shù)據(jù)量。由表3可以得出，WebSocket的平均響應(yīng)時(shí)間很短，最短的平均響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為0.097s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人的反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)同時(shí)在線的用戶規(guī)模達(dá)到1500時(shí)，錯(cuò)誤比率達(dá)到0.06%，此時(shí)服務(wù)器端的壓力已經(jīng)較大，但是錯(cuò)誤率控制在可接受的范圍內(nèi)。由于WebSocket的JavaScript函數(shù)調(diào)用方便，傳輸消息的頭部小，造成的網(wǎng)絡(luò)流量也很小。以上都說明WebSocket能夠很好地支持電能信息顯示的模塊。

5 結(jié)語

WebSocket較之于傳統(tǒng)的Web實(shí)時(shí)技術(shù)，實(shí)時(shí)性得到了顯著的提升；造成的網(wǎng)絡(luò)流量減少；對(duì)服務(wù)器端壓力減少；能夠支持大量并發(fā)用戶。WebSocket在電能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中也表現(xiàn)出非凡的一面。隨著HTML 5的不斷發(fā)展，WebSocket也將會(huì)在Web實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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作者單位

上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海市 200090