基于Redis與WebSocket的戰(zhàn)場態(tài)勢實時推送方案設(shè)計及實現(xiàn)

潘峰 王笑天 宋鈺濤 丁冬

摘要：戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)在信息化戰(zhàn)爭中具有十分重要的作用。為確保態(tài)勢信息的準(zhǔn)確性和時效性，設(shè)計一套可靠高效的信息實時推送方案以提供支撐?；赗edis與WebSocket的實時推送方案，不僅操作簡單，而且能夠兼容Windows和Linux兩大軟件平臺，支持從C/C++或Java程序中引接數(shù)據(jù)，同時向C/C++或js前端進行推送，滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)開發(fā)及維護需要。此外，通過采用訂閱與分發(fā)機制，保證方案高效運行。在指定硬件條件下，分別使用不同長度的模擬消息和不同數(shù)量的終端進行性能測試，能夠滿足戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)的需要。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)；實時推送；Redis；WebSocket

DOI：10.11907/rjdk.181593

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0143-04

Abstract：Battlefieldsituationinformationsystemplaysaveryimportantroleininformationwarfare.WiththerapiddevelopmentofInternettechnology，theresearchofbattlefieldsituationinformationsystembasedonB/Sarchitecturehasmadegreatprogress.Inordertoensuretheaccuracyandtimelinessofsituationinformation，wemustdesignareliableandefficientinformationpushschemetoprovidesupport.ThispaperintroducesaninformationpushschemebasedonRedisandWebSocket，whichisnotonlysimple，butalsocompatiblewithtwomajorplatformsofwindowsandLinux.Atthesametime，itsupportsthetwomainstreamdevelopmentlanguagesofC/C++andJavatomeettheneedsofthedevelopmentandmaintenanceofthevastmajorityofthesystems.Inaddition，thesubscriptionanddistributionmechanismisadoptedtoensuretheefficientoperationofthescheme.Underthespecifiedhardwareconditions，thesimulationmessageswithdifferentaveragelengtharetestedrespectivelytoverifythefeasibilityofthescheme.

KeyWords：battlefieldsituationinformationsystem；informationpush；Redis；WebSocket

0引言

戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)是以戰(zhàn)場地理環(huán)境數(shù)據(jù)與作戰(zhàn)態(tài)勢數(shù)據(jù)為管理和處理對象，并對戰(zhàn)場態(tài)勢信息數(shù)據(jù)進行接收、管理、存儲、查詢、統(tǒng)計、分析和共享的綜合性系統(tǒng)[1]。它是具有交互式作戰(zhàn)空間態(tài)勢感知及共享能力的最有效工具和手段，其根本目的是獲得相對信息優(yōu)勢，打贏信息化戰(zhàn)爭[2，3]。近些年，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于B/S架構(gòu)的戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)研究取得了長足進步。尤其是得益于B/S架構(gòu)在安裝部署和升級維護等方面的優(yōu)勢，其已基本具備“指揮所開設(shè)到哪里、戰(zhàn)場態(tài)勢服務(wù)就支撐到哪里”的能力[4]。

眾所周知，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，作戰(zhàn)時機稍縱即逝，因此為了確保態(tài)勢信息的準(zhǔn)確性和時效性，設(shè)計一套可靠高效的信息實時推送方案提供支撐。同時考慮到系統(tǒng)的開放性和兼容性，盡可能支持不同軟件平臺、開發(fā)語言。雖然在民用領(lǐng)域，一些國內(nèi)外知名廠商如Google、阿里、騰訊都給出了信息實時推送的解決方案[5，6]，但是一方面考慮到軍用系統(tǒng)的安全性和保密性要求，所有軟件必須自主可控，另一方面這些體系化的解決方案大多太過重量級，對硬件環(huán)境與軟件部署有較多要求和限制，暫時不能滿足戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)機動靈活部署的需求。本文介紹一種基于Redis和WebSocket的實時推送方案，不僅操作簡單，而且能夠兼容Windows和Linux兩大軟件平臺，支持C/C++和Java兩種開發(fā)語言，滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)開發(fā)與維護需要。此外，通過采用訂閱與分發(fā)機制，保證方案高效運行。在指定硬件條件下，分別使用不同長度的模擬消息和不同數(shù)量的終端進行測試，驗證該方案性能。

1Redis

Redis（RemoteDictionaryServer）是一個完全開源免費、遵守BSD協(xié)議、基于Key-Value鍵值對的持久化數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，于2009年首次發(fā)布[7]。Redis采用C語言編寫，提供多種語言訪問接口，包括C/C++、Java、PHP、JavaScript、Python等。Redis采用Key-Value模型，使用Hash表實現(xiàn)Key與Value間的映射關(guān)系，因此可以通過Key值高效地對數(shù)據(jù)進行檢索。同時Redis本身支持master-slave（主從）同步，可有效提高系統(tǒng)的可靠性，并且可以通過讀寫分記提高性能。與其它常見的Key-Value緩存系統(tǒng)相比，Redis主要有性能極高、數(shù)據(jù)類型豐富、操作原子性、可持久化4個特點[8，9]。

（1）性能極高。根據(jù)官方給出的bench-mark性能測試數(shù)據(jù)，Redis讀的速度可以達到110000次/s，而寫的速度則可以達到81000次/s。在相同硬件環(huán)境下，Redis與業(yè)界最常用的Memcached系統(tǒng)性能非常接近，能夠完全滿足各式應(yīng)用需要。

（2）數(shù)據(jù)類型豐富。Redis支持5種數(shù)據(jù)類型：string（字符串）、hash（哈希）、list（列表）、set（集合）和zset（sortedset，有序集合）。string是Redis最基本的類型，支持最大存儲512MB內(nèi)容，并且為安全的二進制，可以包含任何數(shù)據(jù)，比如jpg圖片或序列化對象。hash是一個string類型field和value映射表，特別適合用于存儲對象。list是簡單的字符串列表，能夠按照插入順序進行排序。set是string類型的無序集合。zset在set類型基礎(chǔ)上為每個插入記錄增加一個浮點類型的score屬性，該屬性在插入記錄時指定，每次插入記錄后，集合中的數(shù)據(jù)按照各記錄的score屬性重新排序。

（3）操作原子性。Redis所有操作都是原子性的，即每一次操作要么成功執(zhí)行，要么失敗完全不執(zhí)行。同時，Redis也提供簡單的事務(wù)控制機制，通過MUTIL/EXEC命令將多個Redis操作打包起來作為一個命令執(zhí)行。Redis能夠保證來自不同客戶端的命令串行執(zhí)行，即在一個命令執(zhí)行結(jié)束前不會執(zhí)行其它客戶端的命令，從而保證打包在一起執(zhí)行的命令不會被其它客戶端命令干擾，進而提供了數(shù)據(jù)操作的隔離性。

（4）數(shù)據(jù)持久化。Redis支持?jǐn)?shù)據(jù)的持久化，能夠?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)保存在磁盤中，重啟時再次加載使用。

2WebSocket技術(shù)

WebSocket協(xié)議[10]是基于TCP的一種新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它實現(xiàn)了瀏覽器端與服務(wù)器端之間的全雙工（full-duplex）通信，因而也支持服務(wù)器端主動發(fā)送信息給瀏覽器端。在WebSocket中，需要先通過瀏覽器發(fā)出WebSocket連接請求，服務(wù)器端收到后立刻作出回應(yīng)，這個過程通常被稱為“握手”。而后，瀏覽器端與服務(wù)器端之間形成一條雙向快速通道，兩者之間通過該條通道可直接傳送數(shù)據(jù)，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的輪詢方式相比，WebSocket主要有以下幾點優(yōu)勢：①響應(yīng)及時。對于傳統(tǒng)的輪詢方式，由于客戶端不知道服務(wù)端的數(shù)據(jù)何時更新，因此不能確保服務(wù)端消息在第一時間傳送給客戶端。WebSocket因為在服務(wù)端與客戶端之間創(chuàng)建了一條可以多次使用的通道，所以一旦通道建成，就可以在一段時間內(nèi)保證服務(wù)端與客戶端之間的數(shù)據(jù)實時同步，滿足應(yīng)用需求；②網(wǎng)絡(luò)帶寬占用少。在傳統(tǒng)的輪詢方式中，無論服務(wù)端數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，每一個客戶端都會定時發(fā)起請求，服務(wù)端接收后視情況予以應(yīng)答，因此網(wǎng)絡(luò)上會存在很多無效或無意義的輪詢請求和應(yīng)答，而WebSocket只在服務(wù)端數(shù)據(jù)變化時才發(fā)出通知消息，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用會大大降低；③服務(wù)器負(fù)載小。在傳統(tǒng)的輪詢方式中，服務(wù)端需要定時響應(yīng)每一個客戶端的請求，給出適當(dāng)應(yīng)答，而WebSocket服務(wù)端只需要保持與每一個客戶端連接即可，能夠節(jié)約很多處理開銷[11，12]。

3方案設(shè)計

3.1實時推送方案

在戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)中，需要從眾多形態(tài)不一的業(yè)務(wù)系統(tǒng)引接各類原始信息，通過消息總線服務(wù)和實時推送服務(wù)送至戰(zhàn)場態(tài)勢融合服務(wù)，經(jīng)加工處理后生成統(tǒng)一的綜合態(tài)勢信息，再通過消息總線服務(wù)和實時推送服務(wù)送至各終端更新顯示，如圖2所示。

為了確保戰(zhàn)場態(tài)勢信息的準(zhǔn)確性和時效性，使用Redis作消息隊列，經(jīng)封裝后對外提供消息總線服務(wù)。首先，Redis操作原子性的特點可以保證原始信息和綜合態(tài)勢信息無損傳遞；其次，Redis的高速讀寫可以為系統(tǒng)提供高吞吐量的處理能力，有效避免信息阻塞甚至是積壓情況出現(xiàn)；第三，Redis支持豐富的數(shù)據(jù)類型，可以滿足不同信息源對數(shù)據(jù)格式的要求；第四，支持?jǐn)?shù)據(jù)持久化的特性可以讓用戶按需保存原始信息和綜合態(tài)勢信息，為總結(jié)講評、推演復(fù)盤、數(shù)據(jù)挖掘等活動提供支撐[13]。

至于實時推送服務(wù)，則考慮基于WebSocket予以實現(xiàn)。一方面，WebSocket能夠及時感知服務(wù)端的數(shù)據(jù)變化，并在第一時間通知客戶端進行更新，滿足指揮員實時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢的需求；另一方面，與傳統(tǒng)的輪詢方式相比，WebSocket在帶寬占用和服務(wù)端負(fù)載方面有明顯優(yōu)勢，能夠有效降低對系統(tǒng)硬件環(huán)境的要求，便于在條件受限的機動式指揮所中安裝部署[14]。同時，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，WebSocket的兼容性也在不斷提高，其實現(xiàn)復(fù)雜度大大降低[15]。

3.2并發(fā)吞吐量

為了更好地滿足廣大指戰(zhàn)人員全盤掌握戰(zhàn)場情況、輔助制定作戰(zhàn)決策的需求，戰(zhàn)場綜合態(tài)勢信息系統(tǒng)需要從越來越多的業(yè)務(wù)系統(tǒng)引接原始信息，從而生成更加準(zhǔn)確和精細化的綜合態(tài)勢，而這必然會導(dǎo)致信息更新頻率越來越高。同時，隨著各種臺式、便攜式、手持終端普及，戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)的服務(wù)對象也日益增多[16]。以上都對實時推送方案的并發(fā)吞吐量提出了較高要求。

考慮到不同終端對態(tài)勢信息的需求可能不同，采用訂閱和分發(fā)機制取代最原始的廣播方式實現(xiàn)信息推送[17]。將態(tài)勢信息進行分類，各終端首先向?qū)崟r推送服務(wù)注冊自己感興趣的分類，實時推送服務(wù)感知到某類態(tài)勢信息更新后，只對相應(yīng)感興趣的終端進行推送，從而避免網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)無效報文，影響整體傳輸效率。同時，各終端也只會接收到對自己有用的信息，可以減少處理開銷。

當(dāng)戰(zhàn)場綜合態(tài)勢信息系統(tǒng)的信息源和服務(wù)用戶數(shù)量上升到一定規(guī)模時，還可以通過使用Redis官方提供的集群方案以及反向代理服務(wù)軟件實現(xiàn)橫向擴展，利用多實例協(xié)同運行以及負(fù)載均衡等策略，提高系統(tǒng)服務(wù)能力[18]。同時，方案也能進一步提高系統(tǒng)的抗毀能力，避免因個別節(jié)點故障影響正常使用。

3.3軟件平臺兼容性

為便于開展戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)的部署應(yīng)用，必須考慮實時推送方案對軟件平臺的兼容性。雖然Redis本身只支持Linux系統(tǒng)，并不支持直接在Windows系統(tǒng)中使用，但是MicrosoftOpenTechgroup已經(jīng)在此基礎(chǔ)上開發(fā)并對外提供了一個可以在Windows系統(tǒng)中穩(wěn)定運行的版本，從而解決了Redis服務(wù)端的軟件平臺兼容性問題[19]。同時，通過使用hiredis和libWebSocket組件，可以輕松實現(xiàn)從Redis中逐一獲取信息，并通過網(wǎng)絡(luò)推送給指定用戶。上述組件都是用純C語言編寫的，代碼完全公開，并且可以完美兼容Linux和Windows兩大軟件平臺[20]。

3.4開發(fā)語言支持情況

如前文所述，戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)一方面要從各業(yè)務(wù)系統(tǒng)引接原始信息，另一方面還要接收不同終端的訂閱，對綜合態(tài)勢信息進行按需分發(fā)。而各業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息源管理系統(tǒng)通常不是用C/C++語言就是用Java語言開發(fā)的，為了避免其在接入戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)過程中進行大量適應(yīng)性改造，消息總線服務(wù)應(yīng)對外提供支持上述兩種開發(fā)語言的接口。經(jīng)過試驗，使用hiredis和Jedis就可以通過簡單的函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)與Redis隊列的交互[21]。此外，為了同時適應(yīng)客戶端和Web端兩種終端顯示模式，實時推送服務(wù)應(yīng)同時具備向C/C++和js前端推送數(shù)據(jù)的能力。由于WebSocket是HTML5中定義的一種新協(xié)議，在JavaEE7中也實現(xiàn)了該協(xié)議，因此通過使用libWebSocket就可以讓系統(tǒng)滿足不同終端的要求。

4性能測試

為了驗證方案性能，使用普通臺式機部署戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)，再使用幾臺相同機器模擬業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息源和終端用戶進行簡單測試。各臺式機配置如下：CPU為Inteli5-3570，主頻3.4GHz，內(nèi)存4GB，百兆網(wǎng)卡，操作系統(tǒng)采用Windows7旗艦版（SP1）。

考慮到真實環(huán)境中態(tài)勢信息存在不同長度的情況，分別采用平均長度為10、100、1000字節(jié)的模擬消息以及1、5、10個模擬終端對該方案進行測試，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)測試結(jié)果，設(shè)計的實時推送方案隨著消息長度和服務(wù)用戶增加，其吞吐量會出現(xiàn)比較明顯的下降。但即便是使用平均長度為1000字節(jié)的模擬消息同時為10個終端提供服務(wù)，仍然可以達到每秒276條的推送速度，完全可以滿足戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)的需要。

5結(jié)語

如前文所述，戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)由于對準(zhǔn)確性和時效性都有較高要求，因此需要設(shè)計一套可靠高效的信息實時推送方案以提供支撐?？紤]到軍用領(lǐng)域暫無滿足此需求可靈活部署的解決方案，本文介紹一種基于Redis和WebSocket的實時推送方案，不僅操作簡單，而且能夠兼容Windows和Linux兩大軟件平臺，同時支持C/C++和Java兩種開發(fā)語言，以滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)開發(fā)和維護需要。此外，通過采用訂閱與分發(fā)機制，保證方案高效運行。在指定的硬件條件下，分別使用不同長度的模擬消息和不同數(shù)量的終端進行測試，驗證了該方案性能可滿足戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)的需要。

目前我國軍用網(wǎng)絡(luò)出于安全考慮，全部采用物理隔離方式獨立運行，并且針對類似戰(zhàn)場態(tài)勢共享的特定應(yīng)用，往往單獨分配足夠信道資源以保證業(yè)務(wù)不受影響。因此，實時推送方案的設(shè)計尚未涉及如何根據(jù)各用戶之間的傳輸質(zhì)量進一步優(yōu)化傳輸策略。未來很可能要將綜合態(tài)勢信息系統(tǒng)應(yīng)用在帶寬受限的有線傳輸和無質(zhì)量保證的無線傳輸環(huán)境下，屆時各用戶的信道傳輸條件差異性較大，并會隨著時間推移呈現(xiàn)無規(guī)律變化，所以如何充分利用有限的傳輸資源，盡可能及時準(zhǔn)確地將用戶感興趣的信息推送至終端是值得進一步研究的課題[22，23]。

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（責(zé)任編輯：何麗）