趙一凡

【摘要】 隨著軍民航事業(yè)的快速成長，保證軍民航飛行安全的挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴(yán)峻，空中交通管理系統(tǒng)的工作量日漸繁雜，空管數(shù)據(jù)種類更加繁多，在不同業(yè)務(wù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信往往伴隨著大量的設(shè)計成本卻難以達(dá)到良好的通信目標(biāo)。本文對目前消息通信的發(fā)展現(xiàn)狀做出了分析，提出了目前遇到的問題和需要前進(jìn)的方向，然后介紹了一種云時代極速消息通信庫——ZeroMQ，采用ZeroMQ技術(shù)可以降低平臺各模塊之間的耦合性，并且提高平臺的靈活性、可靠性，從而使得平臺易維護(hù)，最后給出了具體驗證。

關(guān)鍵詞：空管數(shù)據(jù)，消息通信，ZeroMQ

Traffic control data sharing based on ZeroMQ message communication library exchange platform for the research and application

Zhao Yifan[1]（1. North China Institute of Computing Technology，100000，China）

Abstract：With the rapid development of military aviation and civil aviation industry and the progress of information technology， workload of air traffic management system is increasingly multifarious， ATC more various data types， data communication between different business is often accompanied by a lot of design cost is difficult to achieve good communication In this paper， the present situation of news communication has made the analysis， put forward the current problems and direction of the need to move forward， and then introduces a speed message communication library ZeroMQ cloud era， ZeroMQ technology can reduce platform by using the coupling between modules， and improve the platform reliability， flexibility so as to make the platform is easy to maintain， in the end， the specific verification was presented.

Key words： Air traffic data， message communication， ZeroMQ

引言

我國空管系統(tǒng)的許多應(yīng)用程序都包含了跨越某種網(wǎng)絡(luò)的組件，無論這種網(wǎng)絡(luò)是局域網(wǎng)還是互聯(lián)網(wǎng)。許多空管系統(tǒng)開發(fā)者最終都會處理某種類型的消息[1]傳遞。一些開發(fā)人員選擇消息隊列產(chǎn)品，但更多的時候還是使用TCP或UDP自己做。這些協(xié)議并不難用，但是從A發(fā)送幾個字節(jié)到B和以任何一種可靠的方式處理消息，這兩者之間有很大差別。

我們有必要做一個可復(fù)用的消息傳遞層，但是構(gòu)建可復(fù)用的消息傳遞系統(tǒng)是非常困難的，這就是很少有自由和開放源碼項目嘗試做這項工作的原因，也是商業(yè)通信產(chǎn)品復(fù)雜、昂貴、靈活性差、脆弱的原因。

我們需要的是做消息傳遞工作的東西，但是需要它以簡單和廉價的方式完成工作，它可以在空管系統(tǒng)任何應(yīng)用程序中以接近零的消耗開展工作，它應(yīng)該是不需要任何其它依賴就可以鏈接的庫。無需額外的變動部件，沒有額外的風(fēng)險，它應(yīng)該能運行在任何操作系統(tǒng)說，并能用任何編程語言開展工作。

因此有了ZeroMQ的思想，一個高效的可嵌入庫，它解決了大部分應(yīng)用程序需要解決的問題，變得在網(wǎng)絡(luò)上有良好的可伸縮性，而沒有多少成本。

一、云時代極速消息通信庫——ZeroMQ

ZeroMQ（Zero Message Queue 零消息隊列）是一個開源的、跨平臺、高性能、精簡靈活的網(wǎng)絡(luò)消息中間件，將操作系統(tǒng)的異步、消息緩沖區(qū)和多線程處理機(jī)制封裝在內(nèi)，對各種套接字類型、網(wǎng)絡(luò)連接建立、數(shù)據(jù)打包成幀、路由選擇等底層網(wǎng)絡(luò)通信行為進(jìn)行了抽象，ZeroMQ可以自動感知路由和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，靈活地支持多種通信環(huán)境[2]。

Rtmsgbus是基于ZeroMQ開發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸共享技術(shù)。根據(jù)空管數(shù)據(jù)的特性進(jìn)行了進(jìn)一步地封裝，主要實現(xiàn)了兩類通信模式：發(fā)布/訂閱模式和請求應(yīng)答模式。Rtmsgbus只需要應(yīng)用程序添加Rtmsgbus的庫文件，就可以在多個模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。Rtmsgbus的通信單元是消息，它只需要獲取消息的長度，并不需要知道消息的格式以及內(nèi)容。因此，對于空管數(shù)據(jù)的各種數(shù)據(jù)格式，比如XML、JSON、Thrift、Protocol Buffers等，只要運用Rtmsgbus就能夠進(jìn)行通訊。為了分類各種空管消息，Rtmsgbus根據(jù)空管數(shù)據(jù)的不同種類設(shè)定不同的主題，各個模塊有專屬于自己的幾個主題，發(fā)送方只需要將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝到該主題中進(jìn)行阻塞或非阻塞發(fā)送即可，接收端根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則，應(yīng)用相應(yīng)的主題即可接收到數(shù)據(jù)。Rtmsgbus有可靠傳輸和非可靠傳輸之分，應(yīng)用不同場景，其傳輸效率高，部署簡單。

1.1 基于ZeroMQ的訂閱發(fā)布模式[3]

訂閱發(fā)布模式是一對多的消息傳輸方式。訂閱者與發(fā)布者有共同的主題，某個主題的所有訂閱者同時對該主題進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)該主題發(fā)生變化時，訂閱者會得到其變化的消息，從而獲取發(fā)布方發(fā)布的主題內(nèi)容，完成消息的傳輸[4]。

訂閱發(fā)布模式的運用場景是發(fā)送方并不知道接收方的具體情況，其只需要對自己進(jìn)行操作即可，而接收方只需要按照自己需要接收的主題接收相應(yīng)信息即可。訂閱發(fā)布是一種松耦合模式，它不需要維護(hù)發(fā)送方和接收方的一致性，并且擴(kuò)展起來很容易。

基于ZeroMQ的訂閱發(fā)布模式有巨大的優(yōu)勢，發(fā)送方只需要將需要發(fā)送的消息封裝到某一主題發(fā)出即可，訂閱方根據(jù)預(yù)先的約定采用相應(yīng)的主題接受消息即可，實現(xiàn)了消息發(fā)布的松耦合和高效性。

1.2 基于ZeroMQ的斷點續(xù)傳模式

在信息傳輸過程中，如果訂閱方網(wǎng)絡(luò)突然中斷，或者是軟硬件故障，會導(dǎo)致消息傳輸?shù)闹袛?。此時，當(dāng)訂閱方再連接上來的時候，為了使這部分信息不致丟失，就需要實現(xiàn)消息的斷點續(xù)傳功能。ZeroMQ通過為每一個消息設(shè)置一個消息ID，當(dāng)訂閱方重新恢復(fù)連接的時候，就通過這個ID值從消息中斷的位置繼續(xù)接收消息。斷點續(xù)傳就是需要保障在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)問題時，可以在問題修復(fù)后繼續(xù)完成傳輸工作[5]。

空管數(shù)據(jù)共享交換平臺的斷點續(xù)傳的機(jī)制是：當(dāng)訂閱方由于各種非主觀原因中斷連接后，ZeroMQ會將斷開連接后發(fā)布方繼續(xù)發(fā)布的消息緩存在內(nèi)存或者文件系統(tǒng)中，當(dāng)訂閱方恢復(fù)連接后，將緩存的或者是數(shù)據(jù)庫中錯過的消息重新發(fā)送給訂閱方。設(shè)置文件系統(tǒng)是因為內(nèi)存有限，緩存過多則會造成溢出。ZeroMQ通過在硬盤中分配交換空間，來防止內(nèi)存溢出。

1.3 基于ZeroMQ的存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式[6]

空管數(shù)據(jù)共享交換平臺通過構(gòu)建哈希存儲結(jié)構(gòu)以及文件系統(tǒng)實現(xiàn)空管數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。對于飛行情報數(shù)據(jù)、航行情報數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)這幾類非實時性、需要進(jìn)行本地備份的一些數(shù)據(jù)分配不同的存儲區(qū)域，ZeroMQ利用哈希匹配原則進(jìn)行存儲以及轉(zhuǎn)發(fā)。如果數(shù)據(jù)要求可靠性傳輸，則構(gòu)造一個反饋值，進(jìn)行穩(wěn)定地可靠傳輸。

二、基于ZeroMQ消息通信庫的數(shù)據(jù)傳輸需求

2.1 空管系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析

空管數(shù)據(jù)共享交換平臺[7]在實現(xiàn)各管制中心系統(tǒng)不同級別之間的數(shù)據(jù)共享交換的同時也需要能夠滿足平臺內(nèi)部各業(yè)務(wù)模塊的數(shù)據(jù)共享交換需求。

空管數(shù)據(jù)共享交換平臺在本級交換的信息主要分為外部接入的信息和業(yè)務(wù)產(chǎn)品信息。外部接入的信息包括監(jiān)視信息、飛行情報、飛行數(shù)據(jù)、航行情報、氣象信息和空管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的空管業(yè)務(wù)共享交換通過TCP或者UDP[8]來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸共享，這兩種方式各有不足。本文研究的空管數(shù)據(jù)共享交換平臺設(shè)計采用基于ZeroMQ的消息通信庫，各業(yè)務(wù)模塊通過ZeroMQ進(jìn)行數(shù)據(jù)共享交換，ZeroMQ將不同的主題分配給不同的業(yè)務(wù)模塊，各業(yè)務(wù)模塊的數(shù)據(jù)按照分配的主題進(jìn)行封裝，各業(yè)務(wù)模塊只需要根據(jù)特定的主題即可實現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)的共享交互?；赯eroMQ的訂閱發(fā)布模式支持可靠實時的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)布方與訂閱方根據(jù)相應(yīng)的主題進(jìn)行消息的發(fā)布共享，通過ZeroMQ消息通信庫，可以實現(xiàn)各業(yè)務(wù)模塊之間數(shù)據(jù)共享交換的松耦合和高效性。

ZeroMQ技術(shù)能夠?qū)⒏鳂I(yè)務(wù)模塊要共享交換的數(shù)據(jù)封裝成消息，在任何應(yīng)用程序中以接近零的消耗來開展工作，是不需要其他的依賴就可以連接的庫，無需額外的變動部件，沒有額外的風(fēng)險，能夠運行在任何操作系統(tǒng)上，能以任何編程語言開始工作。

2.2 基于ZeroMQ消息通信庫的運用需求

空管數(shù)據(jù)共享交換平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸策略我們有很多備選方案，并對一些常用的數(shù)據(jù)傳輸共享策略做了對比，綜合考慮下，ZeroMQ消息通信庫可以滿足空管數(shù)據(jù)傳輸共享的實時性和可靠性要求，可以降低網(wǎng)絡(luò)編程的復(fù)雜性，與平臺無關(guān)，其接口實現(xiàn)相對簡單、可行。因此我們采用基于ZeroMQ消息通信庫的數(shù)據(jù)傳輸共享策略。

數(shù)據(jù)共享交換平臺各業(yè)務(wù)模塊通過RtmsgBus接口調(diào)用RtmsgBus，RtmsgBus再通過ZeroMQ/PGM進(jìn)行消息接收與發(fā)送，ZeroMQ/PGM調(diào)用相應(yīng)的操作系統(tǒng)函數(shù)完成消息接收與發(fā)送工作。RtmsgBus由外部接口模塊、消息發(fā)送接收模塊、監(jiān)視模塊、日志模塊、配置模塊、平臺無關(guān)模塊構(gòu)成。

三、通信測試3.1 時延測試

空管數(shù)據(jù)共享交換平臺要求數(shù)據(jù)共享能夠滿足不同數(shù)據(jù)的時延要求，雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)都要求實時傳輸，空管數(shù)據(jù)共享平臺采用Rtmsgbus通信庫可以實現(xiàn)消息的實時傳輸。本節(jié)就空管數(shù)據(jù)共享平臺監(jiān)視數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)以及多路雷達(dá)數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行了時延測試。如圖1所示。

其中，時延均值為4.8ns，空管系統(tǒng)對監(jiān)視數(shù)據(jù)的處理指標(biāo)為小于1s的處理時延，因此空管數(shù)據(jù)共享交換平臺能夠滿足不同數(shù)據(jù)的傳輸要求。

3.2 傳輸能力測試

空管數(shù)據(jù)共享交換平臺數(shù)據(jù)量大，對于大量數(shù)據(jù)的接收轉(zhuǎn)發(fā)以及存儲能力是重要的一環(huán)，空管數(shù)據(jù)共享平臺針對大量數(shù)據(jù)的壓力測試結(jié)果如表1所示：

可以看出其丟包率不大于0.30%，空管系統(tǒng)對錯漏數(shù)據(jù)包的標(biāo)準(zhǔn)為不高于1%，因此空管數(shù)據(jù)共享交換平臺能夠滿足不同數(shù)據(jù)共享的可靠性要求。

四、結(jié)束語

基于ZeroMQ云時代的極速消息通信庫不僅可以解決消息傳遞中出現(xiàn)的一系列懸而未決的問題，還可以使得程序變得更加簡潔明了，可以提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性，易維護(hù)性。空管系統(tǒng)是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，運用ZeroMQ通信庫可以顯著提高系統(tǒng)的運行效率，降低系統(tǒng)的耦合性，在實際運用中得到了很好地反饋。

目前空管系統(tǒng)對于ZeroMQ搭建的可靠傳輸模式尚不夠完善，未來的工作需要盡可能地完善ZeroMQ的可靠傳輸運用。

參 考 文 獻(xiàn)

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