李 騫,胡揚帆,劉 培,馬艷彬

(新華通訊社 通信技術(shù)局,北京 100031)

近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,各企事業(yè)單位為了更好的履行職能,提高辦公效率,提升管理水平,都在大力發(fā)展信息化建設.投票評審系統(tǒng)作為促進業(yè)務發(fā)展的一種手段在各單位已成為常態(tài)化,投票表決事項、投票規(guī)則、統(tǒng)計方式等也趨于多樣化.傳統(tǒng)的投票評審方式準備周期長且復雜,系統(tǒng)擴展性較差,難以應對投票過程中產(chǎn)生的各類突發(fā)情況,用戶并發(fā)操作時,系統(tǒng)性能下降明顯.如何利用先進的科學技術(shù)和手段替代傳統(tǒng)低效率的投票評審方式成為了亟待解決的問題.

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體功能

本系統(tǒng)基于有限狀態(tài)機原理,利用WebSocket等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計并實現(xiàn)了一個實時高可靠的投票評審系統(tǒng).本系統(tǒng)具有較高的擴展性,可通過靈活配置,滿足基于人員、事項等多種對象的投票信息化管理,涵蓋了多種投票形式.

1.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

圖1所示的功能架構(gòu)中,管理員通過管理端進行會議及投票計劃的創(chuàng)建,并對投票流程進行控制.評委通過評委端進行投票及投票結(jié)果的實時查看.

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

1.3.1 整體架構(gòu)

如圖2所示,系統(tǒng)使用了Nginx+Node.js+MongoDB的開發(fā)框架進行快速迭代開發(fā).通過Machina.js組件實現(xiàn)系統(tǒng)中有關(guān)狀態(tài)機的各種邏輯.通過Socket.IO組件運用WebSocket技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)應用前后端實時通信,并保證了應用系統(tǒng)的高可靠性.

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

1.3.2 投票處理邏輯的設計

如圖3所示,投票模型(Voting Model,VM)是投票流程的狀態(tài)機模型,主要用于處理計算及流程狀態(tài)相關(guān)邏輯.

圖3 VPM和VP的關(guān)系

投票處理器(Voting Processor,VP)主要負責投票流程中的數(shù)據(jù)預/后處理、存取邏輯并負責具體處理WebSocket請求,一個VP對象實例管理并操作對應的一個VM對象實例,一對VP與VM形成一套投票流程模板,具體負責一類投票流程.

投票處理器管理器(Voting Processor Manager,VPM)主要負責多個VP實例的管理,包括VP的加載、同步、切換等等,并負責處理轉(zhuǎn)發(fā)WebSocket請求至相應的VP實例.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 有限狀態(tài)機

有限狀態(tài)機(Finite State Machine,FSM)是計算機領(lǐng)域中一種用來表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學模型[1].

有限狀態(tài)機可以用來進行對象行為建模,其作用主要是描述對象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列,以及如何響應來自外界的各種事件[2].

在本系統(tǒng)中,使用了JavaScript的有限狀態(tài)機庫Machina.js來實現(xiàn)狀態(tài)機相關(guān)的邏輯.

2.2 WebSocket

由于HTTP協(xié)議的請求-響應特性,Web應用都是以一種單向的方式進行通訊——所有的通信都是由客戶端發(fā)起和控制的.于是許多網(wǎng)站為了實現(xiàn)向客戶端實時推送數(shù)據(jù),采用了一種輪詢的技術(shù),即每隔一段時間由客戶端向服務端請求最新數(shù)據(jù)[3].然而由于服務端需要不斷的響應客戶端發(fā)出HTTP請求,造成了很大的網(wǎng)絡資源浪費.圖4是采用輪詢技術(shù)和WebSocket的網(wǎng)絡負載對比[4].

圖4 輪詢和WebSocket實現(xiàn)方式的網(wǎng)絡負載對比圖

由此可見,采用輪詢技術(shù)的網(wǎng)絡負載遠遠大于WebSocket技術(shù)的網(wǎng)絡負載.

于是,HTML5標準定義了WebSocket協(xié)議.該協(xié)議在客戶端和服務端之間建立了一個全雙工的套接字連接,客戶端和服務端會通過這個持續(xù)存在的連接通道自由地傳遞數(shù)據(jù).WebSocket協(xié)議是基于TCP的一種通信協(xié)議,所以其工作流程也需要經(jīng)過發(fā)起連接請求、握手、建立連接三個步驟[5]:

1)客戶端發(fā)送連接請求;

2)服務器響應并切換協(xié)議;

3)通信兩端建立全雙工連接.

最后當通信中的某一方認為可以結(jié)束會話時,便會給對對方發(fā)送關(guān)閉連接的請求,這樣便結(jié)束了此次連接.

WebSocket協(xié)議工作流程如圖5所示.

圖5 WebSocket協(xié)議工作流程

作為一種新的Web標準,雖然WebSocket協(xié)議仍在發(fā)展中,卻已經(jīng)具有一系列優(yōu)秀的特性.首先,WebSocket是一種有狀態(tài)的協(xié)議,所以通信時可以省略部分狀態(tài)信息,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?具有更強的實時性;其次,WebSocket有更好的二進制支持,相對于HTTP可以更好地處理二進制內(nèi)容;最后,WebSocket支持擴展,用戶可以由此實現(xiàn)用戶自定義的子協(xié)議[6].

本系統(tǒng)中我們采用了開源的跨平臺實時通信庫Socket.IO.它提供了客戶端和基于Node.js服務器的解決方案.

2.3 Node.js應用運行環(huán)境

Node.js是一個服務器端的JavaScript運行環(huán)境,由于封裝了Google的V8引擎,使得其執(zhí)行JavaScript代碼的速度和性能都有很大提升.Node.js的事件驅(qū)動和非阻塞I/O特性,使得它通常被用于I/O密集的實時應用系統(tǒng)[7].

傳統(tǒng)的Web服務器技術(shù)中,每當新增一個連接請求時便會生成一個新的線程進行處理和響應[8].而Node.js使用了非阻塞的單線程方式,利用JavaScript的事件機制,在收到一個查詢請求后便將CPU的控制權(quán)交出,直到當數(shù)據(jù)處理完成后觸發(fā)一個事件,再取得控制權(quán)繼續(xù)執(zhí)行.

如圖6所示,Node.js的結(jié)構(gòu)與Chrome非常相似,他們都是基于事件驅(qū)動的異步架構(gòu).瀏覽器通過事件來處理界面上的交互,Node.js通過事件來處理I/O.在服務器端,Node.js雖然不再處理CSS、與DOM和BOM打交道,但是卻具有JavaScript的一切語言特性——基于原型鏈的對象繼承、事件處理機制、回調(diào)函數(shù)等.此外,Node.js還可以方便地訪問本地文件、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡等資源[9].

圖6 顯卡Chrome瀏覽器和Node.js的組件構(gòu)成

在本系統(tǒng)中,我們采用了Express作為Node.js Web框架.Express是一種簡潔易用、功能強大的Web應用程序框架,它提供了一系列豐富的API及中間件用于進行快速開發(fā).我們還使用了基于分布式文檔存儲的非關(guān)系型的MongoDB作為底層數(shù)據(jù)庫.

3 重點問題解決方案

下面我們將首先聚焦于有限狀態(tài)機在VM(投票模型)實現(xiàn)中所起到的作用,然后我們還將具體描述投票流程以及VM、VP、VPM的聯(lián)動關(guān)系,并闡述系統(tǒng)可靠性的實現(xiàn)方法.

3.1 可擴展的投票流程模型的實現(xiàn)

本系統(tǒng)支持多種投票形式,如差額投票、多輪次投票、候選逐一投票等等,并支持將來的擴展.我們整理了十幾種不同的投票場景、規(guī)則,將它們進行歸納整理,并最終使用有限狀態(tài)機(FSM)來對投票流程進行建模.

我們舉一個比較簡單的投票場景為例,其規(guī)則如下:

1)X個候選人中選出Y(目標額度)個人通過(X>Y);

2)根據(jù)候選人所得贊成票多少進行統(tǒng)計,須得到與會評委相應比例(如2/3)的贊成票方有資格通過;

3)滿足規(guī)則2的候選人超過規(guī)定額度時,按得票多少取滿目標額度;

4)在規(guī)則3情景下,如出現(xiàn)目標額度位置前后得票并列的情況,則對并列的候選人重新投票,直到選滿目標額度為止.假設我們按票數(shù)從高到低對候選人進行排列,如出現(xiàn)票數(shù)Y=票數(shù)Y+1=票數(shù)Y+2或票數(shù)Y-1=票數(shù)Y=票數(shù)Y+1的情況就需要進行并列邏輯處理,如出現(xiàn)票數(shù)Y-1=票數(shù)Y且票數(shù)Y>票數(shù)Y+1的情況,則不需要進行并列邏輯處理.

針對此投票場景,我們使用如圖7所示的狀態(tài)機來對其投票流程進行建模.

該狀態(tài)機共有5個狀態(tài),各狀態(tài)及轉(zhuǎn)移情況描述如下:

(1)初始狀態(tài)(uninitialized)

接收init事件及相關(guān)參數(shù)后,轉(zhuǎn)移至knockout狀態(tài),并執(zhí)行init初始化方法對首輪投票參數(shù)進行初始化.

(2)投票狀態(tài)(knockout)

接收init事件及參數(shù)來初始化投票輪次.

每一張投票觸發(fā)一次vote事件,記錄選票,直到所有評委均投票完成,觸發(fā)計票邏輯,計算本輪投票結(jié)果.若未滿足投票目標則狀態(tài)機轉(zhuǎn)移至rest狀態(tài),計算好下一輪投票可能的參數(shù)(如剩余額度、評委投票權(quán)數(shù)(評委可投的票數(shù))、候選項等),準備進行下一輪投票;若滿足投票目標則狀態(tài)機轉(zhuǎn)移至goal狀態(tài),完成投票計劃.

(3)投票輪次結(jié)束狀態(tài)(rest)

接收init事件及相關(guān)參數(shù)后,轉(zhuǎn)移至knockout狀態(tài),并執(zhí)行init初始化方法對下一輪投票參數(shù)進行初始化.

接收abort事件,轉(zhuǎn)移至aborted狀態(tài),終止本次投票計劃.

(4)最終態(tài)(goal)

投票正常完成.

(5)最終態(tài)(aborted)

投票被手動終止.

根據(jù)此狀態(tài)機設計,投票規(guī)則1)至4)中所涉及的計算邏輯可在knockout狀態(tài)的vote事件的計票邏輯中實現(xiàn),從而可完成單輪或多輪的投票場景,并可人工進行終止.

針對更復雜的投票場景,如含有多個規(guī)則不同的環(huán)節(jié)的投票計劃(如含有預選、復議、定評等環(huán)節(jié)),我們可以建立多個針對不同環(huán)節(jié)的狀態(tài),如qualification、knockout、finalreview,完成各自的初始化和記/計票邏輯,并復用uninitialized、rest、goal、aborted狀態(tài)的相關(guān)邏輯,便可完成該投票場景的計算模型.

狀態(tài)機的實現(xiàn)上我們使用了machina.js框架,一個成熟的javascript狀態(tài)機框架.在該框架中我們完成了狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移、狀態(tài)事件的定義,由于machina.js定義的FSM是基于EventEmitter的,所以我們方便地進行了輸出事件的定義.關(guān)鍵代碼如下:

3.2 投票流程及系統(tǒng)高可靠性的實現(xiàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)IO(事務性)與計算分離

系統(tǒng)采取了以數(shù)據(jù)庫為中心的計算與IO分離的設計策略,對于每一步經(jīng)過確認的數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)庫,存儲成功后再進行下一步處理,每一次的投票狀態(tài)變化都先存儲或更新數(shù)據(jù)庫再進行下一步數(shù)據(jù)操作.以步步為營的方式記錄最新的投票狀態(tài),這樣保障了數(shù)據(jù)的一致性,同時為狀態(tài)恢復機制提供了依據(jù).

如圖8,整個投票過程的前后端數(shù)據(jù)交互都由WebSocket協(xié)議實時傳遞,評委端的所有選票數(shù)據(jù)由WebSocket發(fā)送給后端的VPM,VPM對每一份收到的數(shù)據(jù)進行驗證、收集、存儲和計算,得出投票結(jié)果后通過WebSocket對評委端、管理端和投票監(jiān)控大屏等展示終端進行實時廣播,各端收到投票結(jié)果數(shù)據(jù)立即進行展示.

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖(數(shù)字標號表示順序)

具體為:首先選票數(shù)據(jù)由評委端發(fā)送給VPM,VPM交給對應投票類型的VP,VP對每一份選票數(shù)據(jù)進行驗證后連同評委信息一起存入數(shù)據(jù)庫,僅當存庫成功后才進行步驟3,將選票傳入VM狀態(tài)機用于收集和計算,當所有與會評委投票完成后,VM自動計算投票結(jié)果,并將結(jié)果返回給相應VP,VP進行存庫,最后廣播結(jié)果數(shù)據(jù)給前端.

投票過程中數(shù)據(jù)的驗證、傳遞和存儲由VP負責,它是基于持久化存儲的,非易失的,可靠性強;計算由VM負責,VM的數(shù)據(jù)運行在內(nèi)存中,是易失的,可靠性弱.當系統(tǒng)經(jīng)歷意外宕機等情況時,VP可以從數(shù)據(jù)庫中獲取宕機前投票計劃的最后狀態(tài)的數(shù)據(jù),然后用計劃狀態(tài)數(shù)據(jù)初始化VM狀態(tài)機和前端頁面,即可恢復投票狀態(tài).

3.2.2 投票狀態(tài)恢復與監(jiān)控

投票過程中服務端和客戶端都可能出現(xiàn)意外情況而斷電或斷網(wǎng),因此服務端和客戶端都需要完備的狀態(tài)恢復機制.

對于服務端,當系統(tǒng)經(jīng)歷意外中斷之后,重啟程序時VPM會先從數(shù)據(jù)庫中讀取尚未結(jié)束且處于活動狀態(tài)的計劃,然后VP依據(jù)具體的計劃狀態(tài)和票箱(已投)數(shù)據(jù)確定恢復計劃的具體數(shù)據(jù),包括當前的輪次信息,評委提交信息,組裝好具體數(shù)據(jù)后VP將其廣播給各前端(評委端、管理端、投票監(jiān)控大屏),主動刷新了前端的狀態(tài).服務端的相關(guān)程序,如應用、數(shù)據(jù)庫、nginx等程序都部署了開機自啟動腳本,因此整個投票系統(tǒng)可以在無人工干預的狀態(tài)下自動恢復到投票中斷前的狀態(tài).

由于前端設備數(shù)量較多,可控性較差,在投票的任何階段都可能出現(xiàn)終端連接斷開和重新連接的情況,因此投票過程中一旦有前端發(fā)起同步請求,服務端先檢視當前投票狀態(tài),根據(jù)當前狀態(tài)準備前端的恢復數(shù)據(jù),返回給前端進行頁面更新.

圖9 系統(tǒng)時序圖

圖9所示的時序圖主要描述了前端和服務端之間的數(shù)據(jù)交互.圖中所有消息都是異步發(fā)送,由socket.emit事件觸發(fā),然后監(jiān)聽返回事件,依據(jù)返回數(shù)據(jù)進行頁面更新.以ctrl開頭的指令表示控制指令,控制投票狀態(tài),例如投票開始;以view開頭的指令表示更新頁面.根據(jù)時序圖步驟0,每個新建立的WebSocket連接都會收到服務端發(fā)出的sync同步指令,該指令數(shù)據(jù)中定義了投票狀態(tài)和渲染頁面所需的信息,前端根據(jù)sync指令的數(shù)據(jù)來更新頁面內(nèi)容.此步驟保證了前端頁面隨時都可以與服務端通過WebSocket接口恢復投票狀態(tài).

當投票正在進行時,前端步驟3發(fā)送的投票數(shù)據(jù)在服務端收到后會廣播viewdata:vote投票進程數(shù)據(jù),各端頁面收到后會即時更新當輪投票的進度.如果當輪投票結(jié)束且滿足整個投票結(jié)束的條件后,服務端根據(jù)步驟3.3也會將結(jié)果數(shù)據(jù)廣播給各前端頁面,當管理員手動終止投票時也是同樣的流程.

這樣,系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為中心,采用WebSocket實時雙工數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,以投票狀態(tài)為依據(jù),從應用設計和部署層面實現(xiàn)了投票的高可靠性.

4 系統(tǒng)實際應用

本系統(tǒng)目前已經(jīng)正式投入使用,完成了本單位多次社領(lǐng)導級別的重要評審會議的技術(shù)保障工作,包括社編務會通報表揚事項表決、采編業(yè)務考核非固定加減分事項表決、全社創(chuàng)新工作獎勵集中評審表決、年度社級優(yōu)秀新聞作品評審表決、駐外分社職稱評審表決等等.

投票模板的應用使得切換投票方式變得簡單易行,從前端展示到后臺統(tǒng)計均可一次性完成,大大節(jié)省了投票準備工作時間.傳統(tǒng)投票系統(tǒng)在輪次間需要人工進行下輪參數(shù)的計算和設置,平均人工準備時間大約需要2到5分鐘.使用本系統(tǒng)后,評審過程中系統(tǒng)自動計算出各種參數(shù)(如候選項),流程銜接順暢,沒有了人工準備時間,極大地提高了評審效率.系統(tǒng)智能程度較高,學習成本低,簡單易懂的操作界面提升了用戶體驗.高可靠性使得系統(tǒng)能靈活應對各種突發(fā)事件,確保數(shù)據(jù)正確完整.

“界面新穎、體驗良好、功能靈活、流程順暢”的新一代投票評審系統(tǒng),投入使用后效果顯著,得到了本單位社領(lǐng)導、各部門領(lǐng)導和組織單位的一致好評.

5 結(jié)語

本系統(tǒng)具有較高的可靠性,滿足基于人員、事項等多種對象的投票信息化管理,并可擴展多種模板以滿足不斷增長的業(yè)務需求.系統(tǒng)的使用極大地提高了評審管理效率,增加了評審工作的標準化與科學化,互聯(lián)網(wǎng)思維的用戶體驗也增加了用戶的黏合度.未來,計劃在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加基于系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析,輔助領(lǐng)導決策,促進業(yè)務發(fā)展.

1錢忠勝,鄒俊.正規(guī)文法與有限自動機的等價構(gòu)造.計算機應用與軟件,2008,25(6):110-112.

2為Linux應用構(gòu)造有限狀態(tài)機.https://www.ibm.com/deve loperworks/cn/linux/l-fsmachine/.[2014-10-01].

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4WebSockets簡介:將套接字引入網(wǎng)絡.https://www.html5rocks.com/zh/tutorials/websockets/basics/.[2010-10-20].

5李錫輝,楊麗.基于WebSocket的服務器推送技術(shù)研究.網(wǎng)絡安全技術(shù)與應用,2014,(6):45-46.

6齊華,李佳,劉軍.基于Websocket的消息實時推送設計與實現(xiàn).微處理機,2016,37(3):36-39,43.

7萬里晴,楊浩.探究基于V8引擎的Node.js在各應用領(lǐng)域的發(fā)展.通訊世界,2015,(13):97.[doi:10.3969/j.issn.1006-4222.2015.13.066]

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