基于HTML5的实时Web数据监测系统的设计与研究论文
随着人们对信息实时性需求的不断提高，实时Web技术越来越受到人们的重视。例如，实时在线版网络游戏、在线购票系统等都是实时Web的典型代表。有国外媒体称“实时Web的时代即将到来，实时Web不仅仅是一种时尚也是一种技术趋势”。客户端数据的实时性要求服务器能主动向客户端实时发送数据，将最新的消息通知用户。传统的Web应用中，服务器都是响应浏览器请求发送数据给客户端，而客户端并不知道服务器数据何时变化，因此，无法做到真正的实时性。随着HTML5技术的发展，通过HTML5的WebSocket技术和Canvas可实现真正实时Web的需求。为此，构建基于HTML5的实时Web数据监测系统，与传统实时Web技术相比，有效地减少了网络延时和吞吐量。
1 传统实时Web技术
传统实时Web技术是基于HTTP协议(超文本传输协议)，HTTP协议下的服务器和客户端的信息交互方式为：客户端发送请求到服务器端，服务器端接收并处理客户端请求后返回结果给客户端，然后断开连接。由于HTTP协议是无状态协议，对于实时性要求比较高的Web应用，当客户端准备呈现服务器端的响应数据时数据可能已经过时，如果用户想要获得实时性信息需要不停地刷新页面，这显然是不明智的。目前，实时Web的实现形式主要是轮询和其他服务器推送，最常用的主要是轮询和长轮询技术。
1)轮询技术。客户端以固定频率向服务器发送HTTP请求，通过服务器端响应请求实现实时性。显然，消息传递之间如果有准确的时间间隔，轮询是一个很好的方法，但是通常实时数据之间的时间间隔是不可预知的，实时数据何时发生改变无法预测，若频率过高会加重服务器负载和网络负担，频率过低会丢失重要数据，并且每次连接需要发送HTTP报头而产生网络噪声。因此，轮询技术是一种很低效的实时通信方案。
2)长轮询技术。客户端向服务器发送请求后，在一段时间内服务器会保持打开状态，在此期间，如果服务器收到发送消息通知，会发送数据到客户端，客户端接收到数据时重新发送请求信息。然而，当数据量较大时，长轮询对于传统轮询方式并无性能改善。从以上分析可知，传统实时Web存在的缺陷是服务器端和客户端缺少全双工、稳定的长连接。
2 相关技术与开发环境
2.1 WebSocket技术HTML5为继HTML4.01后由W3C(万维网联盟)和WHATWG(Web超文本应用技术工作组)共同开发的一个全新版本的HTML。WebSocket作为HTML5的一种新的协议，它提供了一种全新的服务器-客户端的异步通信方法，弥补了传统实时Web的缺陷，成为未来实时Web应用的首选方案。
WebSocket协议和WebSocket API分别为Web-Socket的理论和实践部分。WebSocket协议由握手和数据传输2个阶段构成。TCP建立连接后首先要进行WebSocket层的握手操作，这个阶段非常简单，客户端给服务器发送HTTP请求，服务器响应客户端请求。
这个阶段的数据传输都基于文本，与现有的HTTP1.1相兼容。握手成功后进入数据传输阶段，这个阶段脱离了HTTP协议。WebSocket API由W3C制定，在WebSocket API中客户端和服务器端只需一个交互信息，客户端和服务器端就建立了一条全双工的信息传输通道，可直接相互传输数据，类似于TCP/IP。这种技术不仅为实时Web应用节省了大量的服务器带宽和资源，而且能满足实时性的需求。
2.2 WebSocket服务器
WebSocket协议基于B/S架构，因此要实现Web-Socket协议，必须要有WebSocket服务器。目前Web-Socket服务器的开源实现有很多，例如：
1)Kaazing WebSocket Gateway(Java实现的Web-Socket服务器);
2)Netty 3.0+(Java实现的WebSocket服务器);
3)Node.js(JavaScript实现的WebSocket服务器);
4)mod_pywebsocket(Python实现的WebSocket服务器);
Node.js是由Ryan Dahl发起的开源项目，现由Joyent公司管理维护。Node.js是可以让JavaScript在服务器端运行的平台，它可以让JavaScript既可在浏览器端又可在服务器环境下运行。Node.js与其他服务器语言相比优势有以下几点：
1)Node.js采用V8引擎，大大提升了JavaScript代码的运行速度。
2)Node.js摒弃了传统平台采用多线程实现高并发的方法，采用了单线程、异步式I/O、事件驱动的方式，不仅摆脱了多线程所带来的困扰，也使性能得到了巨大的提升，提高了开发效率。
3)Node.js充分考虑了数据的实时性，是一个为实时Web而诞生的平台。通过Node.js与WebSocket的合作，可开发实时性要求较高的Web应用。
2.3 客户端图形实时呈现
如今，实时Web应用的开发者越来越注重用户的体验度，将繁杂的数据进行可视化可向用户更加简单、直观地展示数据的变化，减少用户整理和思考的时间。目前，互联网上的数据可视化工具有很多，例如Spss、Matlab、Excel、Tableau Desktop、Echarts等。其中，Spss更加注重统计分析，但图表与其他软件的兼容性较差;Matlab需要很强的编程能力，更偏向于科学方面的可视化处理;Excel输出图表无交互性，不能进行动态数据的可视化处理;Tableau Desktop需要收取较高的费用。
HTML5中的Canvas元素提供了可进行绘图的平台，采用JavaScript语言对其操作可绘制理想的图形，通过Canvas元素可对系统的实时数据进行可视化处理。Echarts(Enterprise Charts商业产品图表库)是基于Canvas使用JavaScript语言编写的可视化图表库，而且拥有动态数据接口。通过Echarts的动态数据接口，可对系统的实时数据进行可视化处理。
2.4 开发工具及开发环境
Web程序主要是在浏览器上观看运行效果，在后端服务器和浏览器中完成调试和运行Web程序，选用Editplus作为编辑器，可在编码过程中对代码进行高亮显示，提高编程效率。目前浏览器对HTML5的支持程度良莠不齐，系统选用Google Chrome浏览器(版本35.0.1916.114m)作为开发和测试环境，与其他浏览器相比，Chrome打开速度快，用户体验好。服务器端安装Node.js(版本0.10.26)及Node.js的包管理器NPM(版本1.4.3)。在Windows系统中安装Node.js非常简单，访问http：//nodejs.org下载安装包后点击Next就可以自动完成安装，通过这种方式还自动安装了Node.js的包管理器NPM。另外，在命令提示符中输入node，即可测试Node.js是否安装成功。
3 构建实时数据监测系统
3.1 系统结构
实时Web数据监测系统由服务器端和客户端2部分构成，其系统结构如图2所示。服务器端主要采集和推送数据，客户端主要实现动态数据接收控制和显示等功能。
3.2 系统流程图
基于WebSocket实时数据监测系统的流程图如图3所示。从图3可看出，WebSocket服务器主要功能通过WebSocket接口来响应客户端事件，客户端通过WebSocket对象监听事件，通过触发OnMessage接收数据并动态显示数据。
3.3 基于Node.js的WebSocket服务器端实现Node.js-WebSocket是专门为WebSocket服务器开发的Node.js模块，通过直接调用Node.js-Web-Socket模块封装的方法可轻松构建属于自己的Web-Socket服务器。Node.js-WebSocket模块的使用及通过模块中的相关函数构建WebSocket服务器过程为：
1)在Node.js中通过NPM 包管理器执行程序
“NPM install Node.js-WebSocket”安装Node.js-Web-Socket模块。
2)通过Node.js提供的require函数调用Node.js-WebSocket模块，并运用其中的createServer()创建服务器对象，开始监听客户端请求，客户端发出请求后，WebSocket服务器端和客户端开始建立连接。
var ws=require("nodejs-websocket");
//调用Node.js-WebSocket模块
var server= ws.createServer(function(conn){
｝).listen(8001);
上述代码创建WebSocket服务器对象并监听8001端口。
3)注册事件并为事件指定响应的函数。本代码注册了text、error、close三个事件：
a)text，当服务器接收到客户端字符串时触发;
b)error，连接过程中发生错误时触发;
c)close，当WebSocket连接关闭时触发。
WebSocket服务器接收到客户端字符串时触发text事件，进而调用相应的函数，将Mysql数据库中实时数据发送给客户端。例如：
conn.on("text"，function(str){console.log(" 收到的信息为：" +str)
sendmess()//发送实时数据到客户端｝)
conn.on("close"，function(code，reason){
console._浃鉥K]log(" 关闭连接" )｝)
conn.on("error"，function(code，reason){
console.log(" 异常关闭" )｝)
WebSocket服务器编写完毕后保存文档为Web-Socket.js，打开终端，进入WebSocket.js所在的目录，执行node WebSocket.js命令即可运行WebSocket服务器。
3.4 WebSocket客户端与Echarts实时数据显示WebSocket客户端只需要绑定相应地址和端口并与服务器建立连接，可接收服务器推送的数据，因此，WebSocket的客户端很容易使用。具体步骤为：
1)创建连接。首先需要新建一个WebSocket对象，并传入相应的URL，WebSocket创建完成后，页面可连接服务器。
var ws=new WebSocket('ws：//192.168.17.80：8001')
上述代码创建了WebSocket对象，其中URL由3部分组成，分别为通信标记(ws)、主机IP和端口号。
2)监听事件。WebSocket对象拥有4个事件：on-Open、onClose、onError和onMessage。
a)onOpen：WebSocket服务器建立完成时触发;
b)onClose：WebSocket服务器关闭时触发;
c)onError：WebSocket服务器创建过程中发生错误时触发;
d)onMessage：客户端收到服务器端数据时触发。
WebSocket服务器发送数据给客户端时触发on-Message事件，通过onMessage事件将实时数据传入Echarts图表的动态接口。例如：
ws.onopen=function(e){console.log(" 连接服务器成功" )
ws.send("game1");｝
ws.onclose=function(e){console.log(" 服务器关闭" );｝
ws.onerror=function(e){console.log(" 连接出错" );｝
ws.onmessage=function(e){data2=e.data;｝
3)数据显示。Echarts拥有动态数据接口，将数据库动态数据传入动态数据接口就可展示实时数据，例如：
myChart.addData([//动态数据接口addData
[0//系列索引
data2，
//新增数据，data2为服务器发送给客户端实时
//数据
False//新增数据是否从队列头部插入
false//是否增加队列长度
4)主动关闭连接。若客户端认为通信已结束，可调用disconnect()函数关闭连接：ws.disconnect()。图4为采用该实时数据监测系统开发的实时温度数据显示图。其中，X 轴为动态并持续更新最新时间，Y 轴为对应时间的温度值。由此可对温度数据进行实时监测。
4 轮询与WebSocket服务器推送方式的测试
4.1 网络延时
图5为Ajax长轮询与WebSocket服务器推送方式的网络延时对比。从图5可看出，Ajax轮询方式下客户端与服务器之间的平均延时为50ms，为了保持连接，服务器与客户端需不断进行请求和响应的操作，从而造成多次延时，并且延时中服务器无法向客户端发送消息，从而造成资源浪费。WebSocket模式下，服务器和客户端只在第一次握手连接时会造成延时，握手连接成功后客户端无需向服务器发送请求，服务器主动发送消息到客户端，从而减少了网络延时，提高了系统的实时性。
4.2 网络吞吐量
本次实验中，Ajax长轮询的请求和响应的报头大小为734Byte，不包含任何数据。采用WebSocket技术，消息为一个数据帧，开销为2Byte。3种情景下连接数增加时Ajax长轮询和采用WebSocket技术的网络吞吐量对比情况如图6所示，其中1000个用户Ajax长轮询和Websocket的网络吞吐量分别为5.6、0.015Mbit/s，10 000个用户Ajax长轮询和Websocket的网络吞吐量分别为56、0.15Mbit/s，100 000个用户Ajax长轮询和Websocket_K]P_浃的网络吞吐量分别为560、1.526Mbit/s。可见，随着用户的增加，WebSocket的吞吐量明显低于Ajax长轮询。
5 结束语
构建了基于HTML5的实时Web数据监测系统，能将数据(如温度、湿度、电压、电流等)实时发送到客户端，客户端通过Echarts对数据进行直观显示。与传统实时Web技术Ajax轮询对比测试结果表明，HTML5能大大减小网络延时和吞吐量。随着HTML5协议的完善，基于HTML5的实时方案将会被大量应用。
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