作者：贺辉超，腾讯游戏平台与社区产品部 高级工程师
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1 H5缓存机制介绍
2 H5缓存机制原理分析
2.1 浏览器缓存机制
2.2 Dom Storgage（Web Storage）存储机制
2.3 Web SQL Database存储机制
2.4 Application Cache（AppCache）机制
2.5 Indexed Database （IndexedDB）
2.6 File System API
3 移动端Web加载性能（缓存）优化
1 H5缓存机制介绍
H5，即HTML5，是新一代的HTML标准，加入很多新的特性。离线存储（也可称为缓存机制）是其中一个非常重要的特性。H5引入的离线存储，这意味着 web 应用可进行缓存，并可在没有因特网连接时进行访问。
H5应用程序缓存为应用带来三个优势：
离线浏览 - 用户可在应用离线时使用它们
速度 - 已缓存资源加载得更快
减少服务器负载 - 浏览器将只从服务器下载更新过或更改过的资源。
根据标准，到目前为止，H5一共有6种缓存机制，有些是之前已有，有些是H5才新加入的。
浏览器缓存机制
Dom Storgage（Web Storage）存储机制
Web SQL Database存储机制
Application Cache（AppCache）机制
Indexed Database （IndexedDB）
File System API
下面我们首先分析各种缓存机制的原理、用法及特点；然后针对Anroid移动端Web性能加载优化的需求，看如果利用适当缓存机制来提高Web的加载性能。
2 H5缓存机制原理分析
2.1 浏览器缓存机制
浏览器缓存机制是指通过HTTP协议头里的Cache-Control（或Expires）和Last-Modified（或Etag）等字段来控制文件缓存的机制。这应该是WEB中最早的缓存机制了，是在HTTP协议中实现的，有点不同于Dom Storage、AppCache等缓存机制，但本质上是一样的。可以理解为，一个是协议层实现的，一个是应用层实现的。
Cache-Control用于控制文件在本地缓存有效时长。最常见的，比如服务器回包：Cache-Control:max-age=600表示文件在本地应该缓存，且有效时长是600秒（从发出请求算起）。在接下来600秒内，如果有请求这个资源，浏览器不会发出HTTP请求，而是直接使用本地缓存的文件。
Last-Modified是标识文件在服务器上的最新更新时间。下次请求时，如果文件缓存过期，浏览器通过If-Modified-Since字段带上这个时间，发送给服务器，由服务器比较时间戳来判断文件是否有修改。如果没有修改，服务器返回304告诉浏览器继续使用缓存；如果有修改，则返回200，同时返回最新的文件。
Cache-Control通常与Last-Modified一起使用。一个用于控制缓存有效时间，一个在缓存失效后，向服务查询是否有更新。
Cache-Control还有一个同功能的字段：Expires。Expires的值一个绝对的时间点，如：Expires: Thu, 10 Nov 2015 08:45:11 GMT，表示在这个时间点之前，缓存都是有效的。
Expires是HTTP1.0标准中的字段，Cache-Control是HTTP1.1标准中新加的字段，功能一样，都是控制缓存的有效时间。当这两个字段同时出现时，Cache-Control是高优化级的。
Etag也是和Last-Modified一样，对文件进行标识的字段。不同的是，Etag的取值是一个对文件进行标识的特征字串。在向服务器查询文件是否有更新时，浏览器通过If-None-Match字段把特征字串发送给服务器，由服务器和文件最新特征字串进行匹配，来判断文件是否有更新。没有更新回包304，有更新回包200。Etag和Last-Modified可根据需求使用一个或两个同时使用。两个同时使用时，只要满足基中一个条件，就认为文件没有更新。
另外有两种特殊的情况：
手动刷新页面（F5)，浏览器会直接认为缓存已经过期（可能缓存还没有过期），在请求中加上字段：Cache-Control:max-age=0，发包向服务器查询是否有文件是否有更新。
强制刷新页面（Ctrl+F5)，浏览器会直接忽略本地的缓存（有缓存也会认为本地没有缓存），在请求中加上字段：Cache-Control:no-cache（或Pragma:no-cache），发包向服务重新拉取文件。
下面是通过Google Chrome浏览器（用其他浏览器+抓包工具也可以）自带的开发者工具，对一个资源文件不同情况请求与回包的截图。
首次请求：200
缓存有效期内请求：200(from cache)
缓存过期后请求：304（Not Modified)
一般浏览器会将缓存记录及缓存文件存在本地Cache文件夹中。Android下App如果使用Webview，缓存的文件记录及文件内容会存在当前app的data目录中。
分析：Cache-Control和Last-Modified一般用在Web的静态资源文件上，如JS、CSS和一些图像文件。通过设置资源文件缓存属性，对提高资源文件加载速度，节省流量很有意义，特别是移动网络环境。但问题是：缓存有效时长该如何设置？如果设置太短，就起不到缓存的使用；如果设置的太长，在资源文件有更新时，浏览器如果有缓存，则不能及时取到最新的文件。
Last-Modified需要向服务器发起查询请求，才能知道资源文件有没有更新。虽然服务器可能返回304告诉没有更新，但也还有一个请求的过程。对于移动网络，这个请求可能是比较耗时的。有一种说法叫“消灭304”，指的就是优化掉304的请求。
抓包发现，带if-Modified-Since字段的请求，如果服务器回包304，回包带有Cache-Control:max-age或Expires字段，文件的缓存有效时间会更新，就是文件的缓存会重新有效。304回包后如果再请求，则又直接使用缓存文件了，不再向服务器查询文件是否更新了，除非新的缓存时间再次过期。
另外，Cache-Control 与 Last-Modified 是浏览器内核的机制，一般都是标准的实现，不能更改或设置。以QQ浏览器的X5为例，Cache-Control 与 Last-Modified 缓存不能禁用。缓存容量是12MB，不分HOST，过期的缓存会最先被清除。如果都没过期，应该优先清最早的缓存或最快到期的或文件大小最大的；过期缓存也有可能还是有效的，清除缓存会导致资源文件的重新拉取。
还有，浏览器，如X5，在使用缓存文件时，是没有对缓存文件内容进行校验的，这样缓存文件内容被修改的可能。
分析发现，浏览器的缓存机制还不是非常完美的缓存机制。完美的缓存机制应该是这样的：
缓存文件没更新，尽可能使用缓存，不用和服务器交互；
缓存文件有更新时，第一时间能使用到新的文件；
缓存的文件要保持完整性，不使用被修改过的缓存文件；
缓存的容量大小要能设置或控制，缓存文件不能因为存储空间限制或过期被清除。
以X5为例，第1、2条不能同时满足，第3、4条都不能满足。
在实际应用中，为了解决Cache-Control缓存时长不好设置的问题，以及为了”消灭304“，Web前端采用的方式是：
在要缓存的资源文件名中加上版本号或文件MD5值字串，如common.d5d02a02.js，common.v1.js，同时设置Cache-Control:max-age=31536000，也就是一年。在一年时间内，资源文件如果本地有缓存，就会使用缓存；也就不会有304的回包。
如果资源文件有修改，则更新文件内容，同时修改资源文件名，如common.v2.js，html页面也会引用新的资源文件名。
通过这种方式，实现了：缓存文件没有更新，则使用缓存；缓存文件有更新，则第一时间使用最新文件的目的。即上面说的第1、2条。第3、4条由于浏览器内部机制，目前还无法满足。
2.2 Dom Storage存储机制
DOM存储是一套在Web Applications 1.0 规范中首次引入的与存储相关的特性的总称，现在已经分离出来，单独发展成为独立的W3C Web存储规范。 DOM存储被设计为用来提供一个更大存储量、更安全、更便捷的存储方法，从而可以代替掉将一些不需要让服务器知道的信息存储到cookies里的这种传统方法。
上面一段是对Dom Storage存储机制的官方表述。看起来，Dom Storage机制类似Cookies，但有一些优势。
Dom Storage是通过存储字符串的Key/Value对来提供的，并提供5MB（不同浏览器可能不同，分HOST)的存储空间（Cookies才4KB)。另外Dom Storage存储的数据在本地，不像Cookies，每次请求一次页面，Cookies都会发送给服务器。
DOM Storage 分为 sessionStorage 和 localStorage。localStorage 对象和 sessionStorage 对象使用方法基本相同，它们的区别在于作用的范围不同。sessionStorage 用来存储与页面相关的数据，它在页面关闭后无法使用。而 localStorage 则持久存在，在页面关闭后也可以使用。
Dom Storage提供了以下的存储接口：
sessionStorage 是个全局对象，它维护着在页面会话(page session)期间有效的存储空间。只要浏览器开着，页面会话周期就会一直持续。当页面重新载入(reload)或者被恢复(restores)时，页面会话也是一直存在的。每在新标签或者新窗口中打开一个新页面，都会初始化一个新的会话。
当浏览器被意外刷新的时候，一些临时数据应当被保存和恢复。sessionStorage 对象在处理这种情况的时候是最有用的。比如恢复我们在表单中已经填写的数据。
把上面的代码复制到session_storage.html（也可以从附件中直接下载）页面中，用Google Chrome浏览器（点击查看支持Dom Storage的浏览器）的不同PAGE或WINDOW打开，在输入框中分别输入不同的文字，再点击“Save”，然后分别刷新。每个PAGE或WINDOW显示都是当前PAGE输入的内容，互不影响。关闭PAGE，再重新打开，上一次输入保存的内容已经没有了。
Local Storage的接口、用法与Session Storage一样，唯一不同的是：Local Storage保存的数据是持久性的。当前PAGE 关闭（Page Session结束后），保存的数据依然存在。重新打开PAGE，上次保存的数据可以获取到。另外，Local Storage是全局性的，同时打开两个PAGE会共享一份存数据，在一个PAGE中修改数据，另一个PAGE中是可以感知到的。
将上面代码复制到local_storage.html的页面中，用浏览器打开，pageLoadCount的值是1；关闭PAGE重新打开，pageLoadCount的值是2。这是因为第一次的值已经保存了。
用两个PAGE同时打开local_storage.html，并分别交替刷新，发现两个PAGE是共享一个pageLoadCount的。
分析：Dom Storage 给Web提供了一种更录活的数据存储方式，存储空间更大（相对Cookies)，用法也比较简单，方便存储服务器或本地的一些临时数据。
从DomStorage提供的接口来看，DomStorage适合存储比较简单的数据，如果要存储结构化的数据，可能要借助JASON了，将要存储的对象转为JASON字串。不太适合存储比较复杂或存储空间要求比较大的数据，也不适合存储静态的文件等。
在Android内嵌Webview中，需要通过Webview设置接口启用Dom Storage。
拿 Android类比的话，Web 的Dom Storage机制类似于Android的SharedPreference机制。
2.3 Web SQL Database存储机制
H5也提供基于SQL的数据库存储机制，用于存储适合数据库的结构化数据。根据官方的标准文档，Web SQL Database存储机制不再推荐使用，将来也不再维护，而是推荐使用AppCache和IndexedDB。
现在主流的浏览器（点击查看浏览器支持情况）都还是支持Web SQL Database存储机制的。Web SQL Database存储机制提供了一组API供Web App创建、存储、查询数据库。
下面通过简单的例子，演示下Web SQL Database的使用。
将上面代码复制到sql_database.html中，用浏览器打开，可看到下面的内容。
官方建议浏览器在实现时，对每个HOST的数据库存储空间作一定限制，建议默认是5MB（分HOST）的配额；达到上限后，可以申请更多存储空间。另外，现在主流浏览器SQL Database的实现都是基于SQLite。
分析：SQL Database的主要优势在于能够存储结构复杂的数据，能充分利用数据库的优势，可方便对数据进行增加、删除、修改、查询。由于SQL语法的复杂性，使用起来麻烦一些。SQL Database也不太适合做静态文件的缓存。
在Android内嵌Webview中，需要通过Webview设置接口启用SQL Database，同时还要设置数据库文件的存储路径。
Android系统也使用了大量的数据库用来存储数据，比如联系人、短消息等；数据库的格式也SQLite。Android也提供了API来操作SQLite。Web SQL Database存储机制就是通过提供一组API，借助浏览器的实现，将这种Native的功能提供给了Web App。
2.4 Application Cache机制
Application Cache（简称AppCache)似乎是为支持Web App离线使用而开发的缓存机制。它的缓存机制类似于浏览器的缓存（Cache-Control 和 Last-Modified）机制，都是以文件为单位进行缓存，且文件有一定更新机制。但AppCache是对浏览器缓存机制的补充，不是替代。
先拿W3C官方的一个例子，说下AppCache机制的用法与功能。
上面HTML文档，引用外部一个JS文件和一个GIF图片文件，在其HTML头中通过manifest属性引用了一个appcache结尾的文件。
我们在Google Chrome浏览器（点击查看浏览器支持详情）中打开这个HTML链接，JS功能正常，图片也显示正常。禁用网络，关闭浏览器重新打开这个链接，发现JS工作正常，图片也显示正常。当然也有可能是浏览缓存起的作用，我们可以在文件的浏览器缓存过期后，禁用网络再试，发现HTML页面也是正常的。
通过Google Chrome浏览器自带的工具，我们可以查看已经缓存的AppCache（分HOST)
上面截图中的缓存，就是我们刚才打开HTML的页面AppCache。从截图中看，HTML页面及HTML引用的JS、GIF图像文件都被缓存了；另外HTML头中manifest属性引用的appcache文件也缓存了。
AppCache的原理有两个关键点：manifest属性和manifest文件。
HTML在头中通过manifest属性引用manifest文件。manifest文件，就是上面以appcache结尾的文件，是一个普通文件文件，列出了需要缓存的文件。
上面截图中的manifest文件，就HTML代码引用的manifest文件。文件比较简单，第一行是关键字，第二、三行就是要缓存的文件路径（相对路径）。这只是最简单的manifest文件，完整的还包括其他关键字与内容。引用manifest文件的HTML和manifest文件中列出的要缓存的文件最终都会被浏览器缓存。
完整的manifest文件，包括三个Section，类型Windows中ini配置文件的Section，不过不要中括号。
CACHE MANIFEST - Files listed under this header will be cached after they are downloaded for the first time
NETWORK - Files listed under this header require a connection to the server, and will never be cached
FALLBACK - Files listed under this header specifies fallback pages if a page is inaccessible
完整的manifest文件，如：
总的来说，浏览器在首次加载HTML文件时，会解析manifest属性，并读取manifest文件，获取Section：CACHE MANIFEST下要缓存的文件列表，再对文件缓存。
AppCache的缓存文件，与浏览器的缓存文件分开存储的，还是一份？应该是分开的。因为AppCache在本地也有5MB（分HOST）的空间限制。
AppCache在首次加载生成后，也有更新机制。被缓存的文件如果要更新，需要更新manifest文件。因为浏览器在下次加载时，除了会默认使用缓存外，还会在后台检查manifest文件有没有修改（byte by byte)。发现有修改，就会重新获取manifest文件，对Section：CACHE MANIFEST下文件列表检查更新。manifest文件与缓存文件的检查更新也遵守浏览器缓存机制。
如用用户手动清了AppCache缓存，下次加载时，浏览器会重新生成缓存，也可算是一种缓存的更新。另外， Web App也可用代码实现缓存更新。
分析：AppCache看起来是一种比较好的缓存方法，除了缓存静态资源文件外，也适合构建Web离线App。在实际使用中有些需要注意的地方，有一些可以说是”坑“。
要更新缓存的文件，需要更新包含它的manifest文件，那怕只加一个空格。常用的方法，是修改manifest文件注释中的版本号。如：# 2012-02-21 v1.0.0
被缓存的文件，浏览器是先使用，再通过检查manifest文件是否有更新来更新缓存文件。这样缓存文件可能用的不是最新的版本。
在更新缓存过程中，如果有一个文件更新失败，则整个更新会失败。
manifest和引用它的HTML要在相同HOST。
manifest文件中的文件列表，如果是相对路径，则是相对manifest文件的相对路径。
manifest也有可能更新出错，导致缓存文件更新失败。
没有缓存的资源在已经缓存的HTML中不能加载，即使有网络。例如：http://appcache-demo.s3-website-us-east-1.amazonaws.com/without-network/
manifest文件本身不能被缓存，且manifest文件的更新使用的是浏览器缓存机制。所以manifest文件的Cache-Control缓存时间不能设置太长。
另外，根据官方文档，AppCache已经不推荐使用了，标准也不会再支持。现在主流的浏览器都是还支持AppCache的，以后就不太确定了。
在Android内嵌Webview中，需要通过Webview设置接口启用AppCache，同时还要设置缓存文件的存储路径，另外还可以设置缓存的空间大小。
2.5 Indexed Database
IndexedDB也是一种数据库的存储机制，但不同于已经不再支持的Web SQL Database。IndexedDB不是传统的关系数据库，可归为NoSQL数据库。IndexedDB又类似于Dom Storage的key-value的存储方式，但功能更强大，且存储空间更大。
IndexedDB存储数据是key-value的形式。Key是必需，且要唯一；Key可以自己定义，也可由系统自动生成。Value也是必需的，但Value非常灵活，可以是任何类型的对象。一般Value都是通过Key来存取的。
IndexedDB提供了一组API，可以进行数据存、取以及遍历。这些API都是异步的，操作的结果都是在回调中返回。
下面代码演示了IndexedDB中DB的打开（创建）、存储对象(可理解成有关系数据的”表“）的创建及数据存取、遍历基本功能。
将上面的代码复制到indexed_db.html中，用Google Chrome浏览器（点击查看游戏器支持详情）打开，就可以添加、查询数据。在Chrome的开发者工具中，能查看创建的DB、存储对象(可理解成表）以及表中添加的数据。
IndexedDB有个非常强大的功能，就是index（索引）。它可对Value对象中任何属性生成索引，然后可以基于索引进行Value对象的快速查询。
要生成索引或支持索引查询数据，需求在首次生成存储对象时，调用接口生成属性的索引。可以同时对对象的多个不同属性创建索引。如下面代码就对name和email两个属性都生成了索引。
生成索引后，就可以基于索引进行数据的查询。
分析：IndexedDB是一种灵活且功能强大的数据存储机制，它集合了Dom Storage和Web SQL Database的优点，用于存储大块或复杂结构的数据，提供更大的存储空间，使用起来也比较简单。可以作为Web SQL Database的替代。不太适合静态文件的缓存。
以key-value的方式存取对象，可以是任何类型值或对象，包括二进制。
可以对对象任何属性生成索引，方便查询。
较大的存储空间，默认推荐250MB(分HOST)，比Dom Storage的5MB要大的多。
通过数据库的事务（tranction）机制进行数据操作，保证数据一致性。
异步的API调用，避免造成等待而影响体验。
Android 在4.4开始加入对IndexedDB的支持，只需打开允许JS执行的开关就好了。
2.6 File System API
File System API是H5新加入的存储机制。它为Web App提供了一个虚拟的文件系统，就像Native App访问本地文件系统一样。由于安全性的考虑，这个虚拟文件系统有一定的限制。Web App在虚拟的文件系统中，可以进行文件（夹）的创建、读、写、删除、遍历等操作。
File System API也是一种可选的缓存机制，和前面的SQLDatabase、IndexedDB和AppCache等一样。File System API有自己的一些特定的优势：
可以满足大块的二进制数据（ large binary blobs）存储需求。
可以通过预加载资源文件来提高性能。
可以直接编辑文件。
浏览器给虚拟文件系统提供了两种类型的存储空间：临时的和持久性的。临时的存储空间是由浏览器自动分配的，但可能被浏览器回收；持久性的存储空间需要显示的申请，申请时浏览器会给用户一提示，需要用户进行确认。持久性的存储空间是WebApp自己管理，浏览器不会回收，也不会清除内容。持久性的存储空间大小是通过配额来管理的，首次申请时会一个初始的配额，配额用完需要再次申请。
虚拟的文件系统是运行在沙盒中。不同WebApp的虚拟文件系统是互相隔离的，虚拟文件系统与本地文件系统也是互相隔离的。
File System API提供了一组文件与文件夹的操作接口，有同步和异步两个版本，可满足不同的使用场景。下面通过一个文件创建、读、写的例子，演示下简单的功能与用法。
将上面代码复制到file_system_api.html文件中，用Google Chrome浏览器打开（现在File System API只有Chrome 43+、Opera 32+以及Chrome for Android 46+ 这三个浏览器支持，点击查看详细支持情况）。由于Google Chrome禁用了本地HTML文件中的File System API功能，在启动Chrome时，要加上”—allow-file-access-from-files“命令行参数。
上面截图，左边是HTML运行的结果，右边是Chrome 开发者工具中看到的Web的文件系统。基本上H5的几种缓存机制的数据都能在这个开发者工具看到，非常方便。
分析：File System API给Web App带来了文件系统的功能，Native文件系统的功能在Web App中都有相应的实现。任何需要通过文件来管理数据，或通过文件系统进行数据管理的场景都比较适合。
到目前，Android系统的Webview还不支持File System API。
3 移动端Web加载性能（缓存）优化
分析完H5提供的各种缓存机制，回到移动端（针对Android，可能也适用于iOS）的场景。现在Android App（包括手Q和WX）大多嵌入了Webview的组件（系统Webview或QQ游览器的X5组件），通过内嵌Webview来加载一些H5的运营活动页面或资讯页。这样可充分发挥Web前端的优势：快速开发、发布，灵活上下线。但Webview也有一些不可忽视的问题，比较突出的就是加载相对较慢，会相对消耗较多流量。
通过对一些H5页面进行调试及抓包发现，每次加载一个H5页面，都会有较多的请求。除了HTML主URL自身的请求外，HTML外部引用的JS、CSS、字体文件、图片都是一个独立的HTTP请求，每一个请求都串行的（可能有连接复用）。这么多请求串起来，再加上浏览器解析、渲染的时间，Web整体的加载时间变得较长；请求文件越多，消耗的流量也会越多。我们可综合使用上面说到几种缓存机制，来帮助我们优化Web的加载性能。
结论：综合各种缓存机制比较，对于静态文件，如JS、CSS、字体、图片等，适合通过浏览器缓存机制来进行缓存，通过缓存文件可大幅提升Web的加载速度，且节省流量。但也有一些不足：缓存文件需要首次加载后才会产生；浏览器缓存的存储空间有限，缓存有被清除的可能；缓存的文件没有校验。要解决这些不足，可以参考手Q的离线包，它有效的解决了这些不足。
对于Web在本地或服务器获取的数据，可以通过Dom Storage和IndexedDB进行缓存。也在一定程度上减少和Server的交互，提高加载速度，同时节省流量。
当然Web的性能优化，还包括选择合适的图片大小，避免JS和CSS造成的阻塞等。这就需要Web前端的同事根据一些规范和一些调试工具进行优化了。
参考资料：
浏览器缓存机制：
http cache笔记
http://imweb.io/topic/5623b34e34764b2c16769746
Web缓存机制系列
http://www.alloyteam.com/2012/03/web-cache-1-web-cache-overview/
Web SQL Database：
A simple TODO List Using Web SQL Database
http://www.html5rocks.com/en/tutorials/webdatabase/todo/?redirect_from_locale=zh
W3C:Web SQL Database
http://dev.w3.org/html5/webdatabase/
HTML5:Web SQL Database
http://www.tutorialspoint.com/html5/html5_web_sql.htm
Dom Storage：
浅谈Html5的Dom Storage
http://www.ibm.com/developerworks/cn/web/1107_gaoly_html5storage/
Dom Storage
https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/Guide/API/DOM/Storage
Application Cache：
Html5 Application Cache
http://www.w3schools.com/html/html5_app_cache.asp
Using the application cache
https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/HTML/Using_the_application_cache
Common Pitfalls to Avoid when Using HTML5 Application Cache
http://www.sitepoint.com/common-pitfalls-avoid-using-html5-application-cache/
Application Cache is a Douchebag
http://alistapart.com/article/application-cache-is-a-douchebag
IndexedDB:
Working with IndexedDB
http://code.tutsplus.com/tutorials/working-with-indexeddb--net-34673
Working with IndexedDB -Part2
http://code.tutsplus.com/tutorials/working-with-indexeddb-part-2--net-35355
IndexedDB:浏览器端数据库
http://javascript.ruanyifeng.com/bom/indexeddb.html
W3C:Indexed Database API
http://www.w3.org/TR/IndexedDB/
File System API:
Debugging the FileSystem API
https://developers.google.com/web/updates/2011/08/Debugging-the-Filesystem-API
Building an HTML5 Text Editor with the FileSystem APIs
http://blog.teamtreehouse.com/building-an-html5-text-editor-with-the-filesystem-apis
Toying with the FileSystem API
http://code.tutsplus.com/tutorials/toying-with-the-html5-file-system-api--net-24719
Exploring the FileSystem APIs
http://www.html5rocks.com/en/tutorials/file/filesystem/