前沿 | 基于北斗三號(hào)短報(bào)文通信的終端監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

“北斗三號(hào)”系統(tǒng)是全球首個(gè)融合導(dǎo)航與通信與儀器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具有雙向短報(bào)文通信功能。北斗三號(hào)系統(tǒng)區(qū)域短報(bào)文通信民用應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)是北斗三號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分，作為國(guó)家服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)中國(guó)及覆蓋區(qū)國(guó)家和地區(qū)提供北斗短報(bào)文通信能力，服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略，保證國(guó)家資源的高效利用。其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可應(yīng)用至電力水利、石油氣田、開采運(yùn)輸、海洋漁業(yè)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，解決運(yùn)輸、開采、重點(diǎn)人員監(jiān)管不足，重要活動(dòng)過(guò)程依賴國(guó)外衛(wèi)星系統(tǒng)，緊急、偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)架設(shè)不便等痛點(diǎn)需求。

相較于北斗二代短報(bào)文系統(tǒng)，北斗三號(hào)系統(tǒng)可向中國(guó)及周邊提供 1 000 個(gè)漢字/每條的短報(bào)文通信服務(wù)，服務(wù)容量提高到 1 000 萬(wàn)次/h，接收機(jī)發(fā)射功率降低至 1~3 W?！氨倍贰币呀?jīng)建立起相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，已經(jīng)構(gòu)建起集運(yùn)營(yíng)服務(wù)、軟件、終端、板卡、模組、芯片為一體的產(chǎn)業(yè)鏈。針對(duì)北三激增的通信能力，通過(guò)引入高可用高并發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)，提升“北斗三號(hào)短報(bào)文系統(tǒng)”抗高流量、高頻次沖擊能力。擺脫“不行就加機(jī)器”的簡(jiǎn)單擴(kuò)張階段。

通過(guò)借鑒“互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)”的先進(jìn)理念，以車輛終端、手持終端等數(shù)據(jù)采集端為“末梢”，以北斗服務(wù)為“神經(jīng)”，以基于分級(jí)布設(shè)+微服務(wù)的云平臺(tái)為“大腦”，構(gòu)建“云-網(wǎng)-端”體系架構(gòu)的高可用北斗終端智能監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)重要資產(chǎn)可知可控的應(yīng)用落地，讓各類行業(yè)資產(chǎn)信息透明化、智能化、可追溯化，提高一體化服務(wù)項(xiàng)目的信息化建設(shè)水平和自主可控能力，形成基于北斗的物聯(lián)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新促進(jìn)北斗短報(bào)文推廣應(yīng)用。

研發(fā)高可用基礎(chǔ)云平臺(tái)架構(gòu)，研發(fā)北斗短報(bào)文終端監(jiān)控平臺(tái)，研制開發(fā)北斗民用多模一體化通用數(shù)傳終端、人員定位監(jiān)控終端、車輛定位監(jiān)管終端。實(shí)現(xiàn)車輛、人員、重要資產(chǎn)的綜合性監(jiān)控、管理以及綜合態(tài)勢(shì)可視化，為行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用落地提供技術(shù)支撐。

高可用服務(wù)平臺(tái)為整個(gè)系統(tǒng)提供彈性計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源支撐，平臺(tái)將數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備等硬件集中化調(diào)度與管理，并通過(guò)服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化等技術(shù)進(jìn)行封裝加工后，可以提供虛擬機(jī)、容器、云硬盤、負(fù)載均衡、云網(wǎng)絡(luò)、彈性伸縮等各種基礎(chǔ)資源服務(wù)能力，以及各種專業(yè)的計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、中間件服務(wù)。其技術(shù)框架包括基礎(chǔ)資源和平臺(tái)服務(wù)功能，如圖 1。

?圖1 高可用平臺(tái)架構(gòu)圖

平臺(tái)通過(guò)虛擬化技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心多臺(tái)物理服務(wù)器的計(jì)算資源進(jìn)行虛擬化，構(gòu)建計(jì)算資源池。通過(guò)分布式存儲(chǔ)技術(shù)將多臺(tái)服務(wù)器的大容量 SATA硬盤進(jìn)行虛擬化，構(gòu)建分布式存儲(chǔ)池，同時(shí)利用SSD 硬盤為分布式存儲(chǔ)加速，利用數(shù)據(jù)多副本技術(shù)提高數(shù)據(jù)可靠性。通過(guò) SDN 技術(shù)將多臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建云平臺(tái)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上層虛擬化資源的組網(wǎng)支撐。

平臺(tái)通過(guò)資源編排技術(shù)將云平臺(tái)中的虛擬機(jī)、云硬盤、云網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源與各種通用集群軟件進(jìn)行封裝，構(gòu)建自動(dòng)化部署的平臺(tái)服務(wù)功能，平臺(tái)用戶通過(guò)平臺(tái)提交服務(wù)申請(qǐng)，系統(tǒng)自動(dòng)完成基礎(chǔ)資源的創(chuàng)建、軟件安裝、集群配置、網(wǎng)絡(luò)端口開放等運(yùn)維操作，交付給用戶直接使用的集群軟件服務(wù)。

虛擬機(jī)：虛擬主機(jī)是一個(gè)擁有完整硬件系統(tǒng)功能、軟件操作系統(tǒng)的獨(dú)立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬主機(jī)是數(shù)據(jù)云平臺(tái)的基礎(chǔ)，用于運(yùn)行各類數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，存儲(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)的本地?cái)?shù)據(jù)。虛擬機(jī)服務(wù)包括虛擬機(jī)生命周期管理、多操作系統(tǒng)支持、多存儲(chǔ)形態(tài)支持、規(guī)格自定義、規(guī)模在線調(diào)整、批量維護(hù)、在線遷移、故障漂移等功能。

容器服務(wù)：容器服務(wù)是一項(xiàng)容器管理服務(wù)，它支持 Docker 容器，并讓用戶能夠通過(guò)圖形界面來(lái)創(chuàng)建和管理 Docker 容器。使用容器服務(wù)，可以快速地啟動(dòng)和停止支持 Docker 容器任務(wù)，查詢?nèi)萜鞯倪\(yùn)行狀態(tài)。

虛擬網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基于云平臺(tái) SDN 網(wǎng)絡(luò)，主要為虛擬機(jī)和容器提供各種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源。

計(jì)算服務(wù)：計(jì)算服務(wù)為各類數(shù)據(jù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)計(jì)算環(huán)境，計(jì)算服務(wù)基于 Hadoop、Spark 等開源計(jì)算框架，結(jié)合云平臺(tái)的自動(dòng)化服務(wù)部署，為前端業(yè)務(wù)交付不同類型的計(jì)算工具，滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的分析計(jì)算需求。計(jì)算服務(wù)支持自定義計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)規(guī)格、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域等信息。

對(duì)象存儲(chǔ)：對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的基本單位，可直接為物理機(jī)/虛擬機(jī)中的應(yīng)用系統(tǒng)提供非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的保存與共享服務(wù)。對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)在應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化對(duì)象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問(wèn)管理，適用于海量非結(jié)構(gòu)化對(duì)象數(shù)據(jù)基于內(nèi)存或磁盤存儲(chǔ)、共享與使用的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

計(jì)算服務(wù)：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)為各種數(shù)據(jù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)存儲(chǔ)環(huán)境，基于開源數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，結(jié)合云平臺(tái)的自動(dòng)化服務(wù)部署，為前端業(yè)務(wù)交付不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)支持自定義數(shù)據(jù)庫(kù)集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)規(guī)格、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域等信息。

中間件服務(wù)：中間件服務(wù)是一種基于開源中間件引擎構(gòu)建的云服務(wù)應(yīng)用，主要面向業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)團(tuán)隊(duì)或業(yè)務(wù)應(yīng)用運(yùn)維團(tuán)隊(duì)用戶，中間件服務(wù)支持自定義集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)規(guī)格、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域等信息。

自動(dòng)化部署：自動(dòng)化部署是一種基于云計(jì)算架構(gòu)的云服務(wù)交付模式，可將各種第三方提供的復(fù)雜集群環(huán)境，通過(guò)在線的配置管理，自動(dòng)完成包括操作系統(tǒng)安裝、網(wǎng)絡(luò)配置、軟件安裝、集群配置、初始化配置等操作，將步驟繁瑣、腳本復(fù)雜的復(fù)雜應(yīng)用交付工作實(shí)現(xiàn)一鍵部署。

負(fù)載均衡：負(fù)載均衡是實(shí)現(xiàn)流量分發(fā)的云服務(wù)，通過(guò)在通用的服務(wù)器上模擬負(fù)載均衡器，提供一種有效的、透明的方法擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可用性以及應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)對(duì)高負(fù)載的能力。負(fù)載均衡服務(wù)通常可作為應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)入口，將用戶訪問(wèn)請(qǐng)求分發(fā)到虛擬主機(jī)集群，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)處理能力的彈性擴(kuò)展，從而降低虛擬主機(jī)宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)和提高應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)對(duì)大規(guī)模訪問(wèn)的處理能力。

系統(tǒng)隔離：隔離是指將系統(tǒng)或資源分割開，系統(tǒng)隔離是為了在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能先定傳播范圍和影響范圍，即發(fā)生故障后不會(huì)出現(xiàn)雪球效應(yīng)，從而保證只有出問(wèn)題的服務(wù)不可用，通過(guò)隔離來(lái)減少資源競(jìng)爭(zhēng)。常用的隔離手段有線程隔離、進(jìn)程隔離、集群隔離、機(jī)房隔離、讀寫隔離、快慢隔離、動(dòng)靜隔離、爬蟲隔離等。

限流：當(dāng)稀缺資源使用這類不能使用緩存和負(fù)載均衡技術(shù)解決的場(chǎng)景下，限流是有效的保證服務(wù)可用的有效手段。限流的目的是通過(guò)對(duì)并發(fā)請(qǐng)求進(jìn)行限速，或限制統(tǒng)一時(shí)間窗口內(nèi)請(qǐng)求數(shù)量從而避免系統(tǒng)崩潰。可根據(jù)壓力測(cè)試的并發(fā)峰值、響應(yīng)時(shí)間上限、CPU、內(nèi)存使用率來(lái)同時(shí)設(shè)置閾值，當(dāng)限流策略開啟時(shí)，服務(wù)能力之外的請(qǐng)求將會(huì)被直接拒絕。

超時(shí)與重試：設(shè)置在服務(wù)請(qǐng)求超時(shí)后進(jìn)行重試。但重試的次數(shù)太多會(huì)導(dǎo)致流量倍增，從而模擬了 DDOS 共計(jì)。因此，須設(shè)置合理的重試機(jī)制，并且配合熔斷、快速失敗機(jī)制。云平臺(tái)中可用重試機(jī)制有代理層超時(shí)重試、Web 容器超時(shí)、中間件客戶端超時(shí)與重試、數(shù)據(jù)庫(kù)客戶端超時(shí)、前端 Ajax超時(shí)。

回滾：回滾是指當(dāng)程序或數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，將程序或數(shù)據(jù)恢復(fù)到最近的一個(gè)正確版本的行為。常見(jiàn)的有事務(wù)回滾、代碼庫(kù)回滾、部署版本回滾、數(shù)據(jù)庫(kù)版本回滾、靜態(tài)資源回滾、靜態(tài)資源版本回滾。通過(guò)回滾機(jī)制可保證系統(tǒng)在某些場(chǎng)景下的高可用。

彈性伸縮：彈性伸縮是根據(jù)用戶定義的策略、應(yīng)用運(yùn)行狀況檢查和計(jì)劃來(lái)自動(dòng)創(chuàng)建新的或終止舊的虛擬主機(jī)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用資源根據(jù)實(shí)際負(fù)載壓力靈活調(diào)度，在保證應(yīng)用處理能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源最佳使用。對(duì)于訪問(wèn)負(fù)載呈現(xiàn)周期性、不確定性的應(yīng)用系統(tǒng)，可通過(guò)彈性伸縮服務(wù)滿足應(yīng)用資源水平擴(kuò)展的需求。

應(yīng)用級(jí)緩存：緩存的目的是讓數(shù)據(jù)更接近使用者，讓訪問(wèn)速度變得更快，其機(jī)制是先從緩存中讀取數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有，再?gòu)穆月脑O(shè)備上（如數(shù)據(jù)庫(kù)）讀取實(shí)際數(shù)據(jù)并同步到緩存。對(duì)于讀寫頻繁的數(shù)據(jù)、熱點(diǎn)數(shù)據(jù)、I/O 瓶頸數(shù)據(jù)、計(jì)算昂貴的數(shù)據(jù)及滿足緩存條件。設(shè)置緩存還需考慮緩存命中率、回收策略、緩存類型等因素。

線程池：在高并發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中，池化技術(shù)必不可少，如對(duì)象池、連接池、線程池等，通過(guò)池化資源減少資源消耗，提升性能。但是，池不能太大，會(huì)增加額外的掃描時(shí)間，反而降低效率。

隊(duì)列：隊(duì)列即一種線性表，從一端插入數(shù)據(jù)，從另一端刪除，在高并發(fā)系統(tǒng)中，不是所有的處理都須實(shí)時(shí)進(jìn)行。隊(duì)列的使用場(chǎng)景主要包括異步處理、系統(tǒng)解耦、數(shù)據(jù)同步、流量削峰。可以用隊(duì)列處理的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)類型包括緩沖隊(duì)列、任務(wù)隊(duì)列、消息隊(duì)列、請(qǐng)求隊(duì)列、數(shù)據(jù)總線隊(duì)列、混合隊(duì)列等。

為提高廣域信息通信網(wǎng)絡(luò)使用與管理的可靠性，可根據(jù)各使用單位實(shí)際使用場(chǎng)景，在北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合北斗短報(bào)文通信特點(diǎn)，建設(shè)一套基于北斗短報(bào)文通信的終端監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為終端使用與管理部門提供終端設(shè)備的監(jiān)控、管理、調(diào)度、統(tǒng)計(jì)等功能。

終端監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)由多場(chǎng)景遠(yuǎn)程終端、北斗同步通信衛(wèi)星、北斗地面測(cè)控總站、民用短報(bào)文服務(wù)平臺(tái)組成，如圖 2。其中，多場(chǎng)景遠(yuǎn)程終端是指應(yīng)用于運(yùn)輸車輛、礦場(chǎng)、油氣井、漁船、海洋浮標(biāo)等場(chǎng)景下的北斗終端，主要完成短報(bào)文通信的數(shù)據(jù)生產(chǎn)；北斗同步衛(wèi)星承擔(dān)各衛(wèi)星站點(diǎn)無(wú)線信號(hào)中繼通信的功能；北斗地面測(cè)控總站是北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的地面運(yùn)行控制中心，主要完成所有導(dǎo)航電文參數(shù)生成和北斗用戶端定位、授時(shí)、通信數(shù)據(jù)交換的集中處理；民用短報(bào)文服務(wù)平臺(tái)是對(duì)終端短報(bào)文數(shù)據(jù)的分發(fā)與統(tǒng)計(jì)，能夠?qū)⒍虉?bào)文數(shù)據(jù)分發(fā)到移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并完成北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)以及終端的統(tǒng)計(jì)與可視化應(yīng)用需求。

圖 2 基于北斗短報(bào)文的終端監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

從北斗終端短報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送到民用短報(bào)文服務(wù)平臺(tái)的接受，基于北斗短報(bào)文通信的終端監(jiān)控系統(tǒng)具有一條完整的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路如圖 3 所示。

圖 3 基于北斗短報(bào)文通信的終端監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路

如圖所示，紅色箭頭鏈路表示從北斗終端開始的數(shù)據(jù)發(fā)送方向，短報(bào)文數(shù)據(jù)從終端產(chǎn)生，上傳到北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星傳送到地面接收天線，進(jìn)入到地面監(jiān)控總站，地面監(jiān)控總站將短報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送至民用短報(bào)文服務(wù)平臺(tái)，短報(bào)文服務(wù)平臺(tái)通過(guò)專線等形式將數(shù)據(jù)分發(fā)至監(jiān)控平臺(tái)以及移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。藍(lán)色箭頭鏈路則與之相反，進(jìn)行數(shù)據(jù)的確認(rèn)與回執(zhí)傳輸。

民用北斗短報(bào)文服務(wù)平臺(tái)接收北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)后，傳輸?shù)浇K端監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)景應(yīng)用與可視化，終端監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖 4 所示。

圖 4 終端監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

終端監(jiān)控系統(tǒng)最底層為數(shù)據(jù)接入層，通過(guò)短報(bào)文民用服務(wù)平臺(tái)，接入來(lái)自北斗二號(hào)終端以及北斗三號(hào)終端的短報(bào)文通信數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)接入層往上為數(shù)據(jù)傳輸層，通過(guò)短報(bào)文專線以及移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)；業(yè)務(wù)支撐通過(guò)云化的方式，開發(fā)了基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)支撐模塊，其中包括基于北斗定位的終端位置實(shí)時(shí)、終端歷史軌跡、終端電子圍欄，基于北斗短報(bào)文的終端調(diào)度、一鍵報(bào)警、消息上報(bào)，基于云計(jì)算的任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、人臉識(shí)別、操作記錄；最后形成了頂端應(yīng)用終端綜合態(tài)勢(shì)、終端管理、操作員管理、終端任務(wù)管理四個(gè)主要功能。

基于北斗短報(bào)文通信的終端監(jiān)控平臺(tái)以高可用服務(wù)平臺(tái)為技術(shù)支撐，以北斗三號(hào)短報(bào)文和地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，最后由終端監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)化處理和可視化展示。其高可用、高并發(fā)的云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)能夠解決新一代北斗系統(tǒng)激增的并發(fā)需求，并支撐其平穩(wěn)運(yùn)行。

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