Websocket通信协议在数字孪生中的应用

目录

• 写在前面
• 数字孪生中的通讯协议
• Websocket 是什么
• Websocket 配置
• 基于 Node.js 的 Websocket 服务器搭建
• 基于Vue 的 Websocket 客户端搭建
• 通过 Websocket 更新 Echart 表格数据(基于 Vue + node)
• 搭建 echart 柱状图结构
• 添加柱状图初始化参数
• 添加柱状图更新函数
• 添加 Websocket 连接与接收数据函数
• 向 Websocket Server 添加生成随机数据的函数
• 添加数据监控函数,即数据更新函数
• 将数据监控函数绑定到 Websocket 的 connection 事件回调中
• 启动前端、后端，测试效果
• 为何采用 Websocket 而不是 HTTP
• 采用 HTTP
• 采用 Websocket
• 总结

写在前面

面试官：除了 HTTP，你还用过什么通信协议？

答：Websocket 在数字孪生中的应用

随着 数智化 转型的推进，越来越多行业开始加入 数智化改造 大军，所谓数智化，其实就是数据化、智能化，主要强调的是利用目前发展迅猛的计算机、网络技术、AI等先进技术，对传统行业进行改造、赋能，促进传统行业向先进技术靠拢，通过先进技术的赋能，使传统行业得到更快的发展。

而在这一波转型中，尤其亮眼的就要数 数字孪生 这个概念了，数字孪生在我看来，可以简单分两部分理解：
第一部分为同步孪生，即利用各种方式采集到的各种数据，通过糅合、整理，在计算机上模拟出与现实世界相同的东西，即 孪生，并且在现实世界发生变化时，孪生世界中的事物能够呈现相同的状态。

第二部分为预测孪生，即通过对于大量数据的采集、分析，能够对数据与事物发展的态势进行结合，建立模型，达到预测、模拟效果，提前预防灾难发生等。

目前来看，业界开发出来的数字孪生产品中，分为二维、三维、二维 + 三维这几种模式，其中二维数字孪生主要是将现实世界的数据做处理后，利用各种可视化表格进行展示，而三维数字孪生则是利用 WebGL、Three、UE4 等技术，将现实场景直接建模、完全孪生到计算机上，通过数据孪生，展示与现实场景相同的孪生场景。

数字孪生内容很多，本次先从简单的二维数字孪生的数据展示入手，介绍一下二维数据孪生应用最简单的模块。

数字孪生中的通讯协议

Websocket 是什么

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行 全双工 通信的协议。WebSocket通信协议于2011年被[IETF]定为标准RFC 6455，并由RFC7936补充规范。WebSocket API也被 W3C 定为标准。

WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

Websocket 配置

本次以 Echarts 作为展示数据的表格，Node.js 服务器作为数据源，演示简单的数据更新通讯过程

基于 Node.js 的 Websocket 服务器搭建

创建 Websocket Server

// 引入 ws 模块
const WebSocket = require('ws');
// 创建 server 实例并监听 3000 端口
const server = new WebSocket.Server({host:'localhost',port:3000},()=>{
  console.log('WebsocketServer Start !')
});

添加客户端连接成功回调

当客户端对服务端发起连接时，服务端能够在 connection 事件中收到请求

server.on('connection',(client)=>{
  console.log('连接成功')
})

添加客户端消息回调

由于 Websocket 是全双工的，所以客户端和服务端都可以向对方发送消息，因此，我们需要添加消息回调，接收客户端发送的消息

server.on('connection',(client)=>{
  console.log('连接成功')
  // 添加消息回调
  client.on('message',(msg)=>{
    console.log(msg);
  })
})

基于Vue 的 Websocket 客户端搭建

客户端与服务端基本差不多，创建连接、添加连接回调、消息回调

var ws = new WebSocket("ws://localhost:3000");
//服务端向客户端连接执行
ws.onopen = ()=>{
  console.log('连接建立')
}
ws.onmessage = (msg) => {
  console.log('收到消息:', msg.data)
}

通过 Websocket 更新 Echart 表格数据(基于 Vue + node)

搭建 echart 柱状图结构

<template>
  <div id="Websocket-container"></div>
</template>

添加柱状图初始化参数

init(){
  var chartDom = document.getElementById('Websocket-container');
  this.myChart = echarts.init(chartDom);
  var option;
  option = {
    xAxis: {
      type: 'category',
      data: ['Mon', 'Tue', 'Wed', 'Thu', 'Fri', 'Sat', 'Sun']
    },
    yAxis: {
      type: 'value'
    },
    series: [
      {
        data: [120, 200, 150, 80, 70, 110, 130],
        type: 'bar',
        showBackground: true,
        backgroundStyle: {
          color: 'rgba(180, 180, 180, 0.2)'
        }
      }
    ]
  }
  option && this.myChart.setOption(option);
},

添加柱状图更新函数

update(newData) {
  let option = {
    series: {
      data: newData,
    }
  }
  this.myChart.setOption(option)
},

添加 Websocket 连接与接收数据函数

initWebsocket(){
  var ws = new WebSocket("ws://localhost:3000");
  //服务端向客户端连接执行
  ws.onopen = ()=>{
    console.log('连接建立')
  }
  ws.onmessage = (msg) => {
    console.log('收到消息:', msg.data)
    this.update(JSON.parse(msg.data))
  }
}

向 Websocket Server 添加生成随机数据的函数

通过生成随机的数据，模拟现实中数据的变化，并推送到前端

function createDatas(){
  let arr = []
  for(let i=0;i<7;i++){
    arr.push(Math.floor(Math.random()*100))
  }
  console.log(arr)
  return arr
}

添加数据监控函数,即数据更新函数

// 每 5s 想前端更新一次
function startMonitor(client){
  setInterval(() => {
    let newDatas = createDatas()
    client.send(JSON.stringify(newDatas))
  }, 1000 * 5);
}

将数据监控函数绑定到 Websocket 的 connection 事件回调中

server.on('connection',(client)=>{
	console.log('连接成功')
  // 添加消息回调
  client.on('message',(msg)=>{
		console.log(msg);
	})
  // 开始数据监听，当数据更新时想客户端推送数据
  startMonitor(client)
})

启动前端、后端，测试效果

为何采用 Websocket 而不是 HTTP

首先我们知道对于数字孪生这样的应用场景，实时同步现实数据到孪生世界是必要的环节，而当数据发送变化时，孪生世界如果想要做到立即响应，那么就需要立刻通过网络获取数据

采用 HTTP

HTTP 作为单工通讯，服务器无法主动推送数据到前端，那么只能采用轮询的方式，而采取这样子的方式有一个矛盾点存在，一方面，为了更加实时的获取到最新的数据，轮询的间隔时间应该尽可能小，而另一方面，由于发送 HTTP 会耗费大量的流量，所以轮询时间应该尽可能大，从而节省流量的浪费，因此，采取 HTTP 轮询的方式很难拿出可靠、高效的方案

采用 Websocket

Websocket 作为全双工的通讯方式，它能够做到当服务器检测到数据更新的时候，主动向客户端推送数据，而在没有数据更新的时候，网络带宽完全是空闲的，不会像采用 HTTP 一样，中间会有无数次无意义的数据请求，所以采取 Websocket 才是更加合理的数据更新方式

总结

通过对于数字孪生应用场景的学习和实践，能够了解到与以往习惯的通过 HTTP 接口获取数据并进行渲染所不同的方式，也看到了更多的可能，对于数字孪生，这里所介绍的 Websocket 可能连冰山一角都算不上，希望继续深入研究，探索更多、更深入的 数字孪生相关的技术，更多关于Websocket数字孪生的资料请关注我们其它相关文章！