0 引言

    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)在鐵路牽引供電及其他工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)著重要地位，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量分析、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等功能。隨著分布式技術(shù)在SCADA系統(tǒng)中應(yīng)用的不斷推廣，SCADA系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間以及與其他異構(gòu)系統(tǒng)之間的消息傳遞變得更加復(fù)雜化、多樣化^[1]。

    本文針對(duì)分布式環(huán)境下SCADA系統(tǒng)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了一套高效可靠的分布式消息中間件設(shè)計(jì)方案。該方案采用N-Tree結(jié)構(gòu)^[2]對(duì)分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息區(qū)域劃分，各個(gè)子區(qū)域的消息根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行收集和傳遞。系統(tǒng)采用經(jīng)典的Publisher-Subscriber（發(fā)布/訂閱）模式設(shè)計(jì)，產(chǎn)生消息的節(jié)點(diǎn)稱之為Publisher（發(fā)布者），獲取并處理消息的節(jié)點(diǎn)稱之為Subscriber（訂閱者）。訂閱者首先需要對(duì)特定的消息區(qū)域進(jìn)行“消息訂閱”，發(fā)布者會(huì)自動(dòng)將訂閱的消息推送到各訂閱節(jié)點(diǎn)。

    系統(tǒng)采用了特殊設(shè)計(jì)的分布式一致性算法，確保系統(tǒng)中分布式節(jié)點(diǎn)之間的消息一致性和完整性，同時(shí)提高了分布式消息訪問(wèn)的效率。本文將重點(diǎn)描述消息分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分布式一致性算法設(shè)計(jì)。

1 分布式SCADA系統(tǒng)

    SCADA系統(tǒng)在鐵路電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用較早，近些年來(lái)隨著中國(guó)鐵路的迅猛發(fā)展，也帶動(dòng)了鐵路電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)向更高的目標(biāo)發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)SCADA系統(tǒng)發(fā)展處于第三階段，即基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的、能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)^[3]。

    一個(gè)典型的鐵路供電調(diào)度SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    圖中每一個(gè)方框僅標(biāo)示了一種分布式SCADA系統(tǒng)功能角色，在實(shí)際的SCADA系統(tǒng)中，每一種系統(tǒng)角色一般均對(duì)應(yīng)了多臺(tái)分布式計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況的不同負(fù)責(zé)相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)，完成各自所屬角色的功能。

2 消息分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    （1）角色分類

    在分布式SCADA系統(tǒng)中，按照消息的收集與分發(fā)功能的不同，劃分為兩種角色：消息供應(yīng)者與消息訂閱者。

    消息供應(yīng)者負(fù)責(zé)按照N-Tree結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)中的消息進(jìn)行區(qū)域劃分，并注冊(cè)、收集指定區(qū)域的消息，主動(dòng)推送給訂閱節(jié)點(diǎn)或者等待消息訂閱者查詢。消息訂閱者則根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，通過(guò)指定機(jī)器節(jié)點(diǎn)名、區(qū)域名去“訂閱”消息內(nèi)容，在消息訂閱時(shí)可以指定是否需要由消息供應(yīng)者主動(dòng)推送。

    （2）消息分類與確認(rèn)

    按照消息緊急程度的不同，可以劃分為兩大類消息：緊急消息和一般消息。這兩大類消息都可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求的不同來(lái)劃分應(yīng)用子類，其區(qū)別在于：緊急消息具有“告警”和“正?！眱煞N狀態(tài)且需要消息訂閱者進(jìn)行“確認(rèn)”，而一般消息則沒(méi)有狀態(tài)區(qū)分且不需要被確認(rèn)。

    （3）消息緩存與傳遞

    系統(tǒng)針對(duì)不同類型消息的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種緩存方式：“鏈?zhǔn)疥?duì)列”緩沖和“環(huán)形隊(duì)列”緩沖。對(duì)于重要程度較高的且需要等待確認(rèn)的緊急消息，則應(yīng)采用“鏈?zhǔn)疥?duì)列”緩沖模式，確保消息不會(huì)丟失；對(duì)于一般性消息則可以采用“環(huán)形隊(duì)列”緩沖模式，在極端情況下早期的消息可能會(huì)丟失，但同樣保證了最新的消息被緩存。

    系統(tǒng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均需要維護(hù)自己的消息緩沖區(qū)和消息訂閱需求列表，消息節(jié)點(diǎn)之間的通信采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸。消息訂閱與傳遞遵循以下步驟：

    （1）消息訂閱者將訂制的消息請(qǐng)求（包括指定優(yōu)先級(jí)、消息區(qū)域等）傳遞給消息供應(yīng)者進(jìn)行“訂閱”操作；

    （2）消息供應(yīng)者維護(hù)自身節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的消息訂閱請(qǐng)求，當(dāng)產(chǎn)生新的消息時(shí)，根據(jù)消息訂閱請(qǐng)求進(jìn)行篩選；

    （3）消息訂閱者的消息緩沖區(qū)中的內(nèi)容得到更新，可以根據(jù)應(yīng)用需求定制后續(xù)行為（例如報(bào)警、打印、存庫(kù)等）。

    消息分發(fā)系統(tǒng)模型見(jiàn)圖2。

3 分布式一致性算法

    本文提出采用基于“Quorum-Based算法”^[4]與消息區(qū)域模型相結(jié)合的機(jī)制，對(duì)分布式消息中間件的數(shù)據(jù)一致性做出保證。這里采用的方案能夠保證分布式SCADA系統(tǒng)中的消息緩沖數(shù)據(jù)“最終一致性”，而不是滿足“強(qiáng)一致性”。所謂“強(qiáng)一致性”指的是當(dāng)消息訂閱者對(duì)系統(tǒng)消息進(jìn)行獲取或確認(rèn)時(shí)，必須檢查或更新相關(guān)節(jié)點(diǎn)的所有消息副本狀態(tài)是否一致，只有保證所有消息副本狀態(tài)一致才能完成讀寫操作。而最終一致性的概念是：在每次獲取或更新數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，并不保證所有節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)副本均保持一致，而是根據(jù)設(shè)定的策略保證部分?jǐn)?shù)據(jù)是最新的，剩余不同步的副本則由系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)責(zé)自行同步，系統(tǒng)保證在沒(méi)有后續(xù)更新的情況下最終返回上一次更新的最新?tīng)顟B(tài)。

    由于本文設(shè)計(jì)的分布式一致性算法不屬于強(qiáng)一致性算法，且經(jīng)過(guò)了特殊優(yōu)化，因此系統(tǒng)工作的效率較高，且能夠確保分布式SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致可靠性。本文設(shè)計(jì)的分布式一致性算法描述如下：

    （1）系統(tǒng)中每一個(gè)消息區(qū)域的消息供應(yīng)者（總數(shù)量V）均可以對(duì)訪問(wèn)（讀）操作和確認(rèn)（寫）操作進(jìn)行授權(quán)許可，每次授權(quán)尚未完成的情況下不可重復(fù)授權(quán)其他操作，防止出現(xiàn)讀寫沖突的情況；

    （2）每一次消息訪問(wèn)（讀）操作必須獲得Vr個(gè)節(jié)點(diǎn)授權(quán)許可才能進(jìn)行，同樣，每一次消息確認(rèn)（寫）操作必須獲得Vw個(gè)節(jié)點(diǎn)授權(quán)才能進(jìn)行；

    （3）系統(tǒng)中各項(xiàng)操作的授權(quán)許可數(shù)量滿足如下關(guān)系：

    式（1）表示一次讀操作所需授權(quán)數(shù)與一次寫操作所需授權(quán)數(shù)之和應(yīng)該大于系統(tǒng)授權(quán)總數(shù)，這樣可以保證同一份數(shù)據(jù)拷貝不會(huì)發(fā)生并行讀寫的情況，因?yàn)橐坏┳x操作獲得了授權(quán)，就不可能存在足夠的寫操作授權(quán)了，反之亦然。式（2）表示一次寫操作必須獲得半數(shù)以上的授權(quán)，確保同一份數(shù)據(jù)拷貝不會(huì)同時(shí)被2個(gè)及以上請(qǐng)求修改，這樣就能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫入的串行化和一致性。式（3）屬于優(yōu)化的可選策略，表示一次讀操作所需授權(quán)數(shù)應(yīng)當(dāng)盡可能小，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。

    圖3中給出了本系統(tǒng)中描述的分布式SCADA系統(tǒng)消息供應(yīng)者與消息訂閱者之間的訪問(wèn)關(guān)系。

    在圖3中，消息供應(yīng)者會(huì)對(duì)某個(gè)消息邏輯區(qū)域提供訂閱功能，而這樣的節(jié)點(diǎn)一般可以存在多個(gè)，提供相同消息區(qū)域供應(yīng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了分布式節(jié)點(diǎn)群集。當(dāng)消息供應(yīng)者需要訪問(wèn)或確認(rèn)某區(qū)域消息時(shí)，需要遵循本文描述的分布式一致性算法規(guī)則。而SCADA系統(tǒng)中的消息區(qū)域狀態(tài)與各消息供應(yīng)者之間的同步，則由系統(tǒng)在操作完成后自動(dòng)進(jìn)行。

4 實(shí)踐結(jié)果分析

    本文利用GT-ITM提供的Transit-Stub（TS）模型^[5]，構(gòu)建一個(gè)分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)此消息中間件進(jìn)行性能測(cè)試。

    仿真系統(tǒng)根據(jù)鐵路SCADA系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需求劃分角色區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有多個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)消息供應(yīng)者每200 ms新增一條消息，每條消息為128 B的數(shù)據(jù)包，每一個(gè)消息訂閱者都訂閱所有區(qū)域消息以模擬最大負(fù)載情況。通常，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)消息供應(yīng)者又充當(dāng)消息訂閱者。仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試在不同應(yīng)用規(guī)模下的系統(tǒng)負(fù)載情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    從表1中可以看出，相同消息供應(yīng)者的情況下，消息訂閱者數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量線性增長(zhǎng)，但是增量不會(huì)呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系。這說(shuō)明本方案的設(shè)計(jì)有效地降低了相同節(jié)點(diǎn)上多個(gè)消息訂閱者的消息傳遞負(fù)載。消息供應(yīng)者數(shù)量的增加會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量和CPU負(fù)載呈現(xiàn)比率上升趨勢(shì)，這是因?yàn)橄⒐?yīng)者需要維護(hù)和更新各消息訂閱者隊(duì)列，實(shí)時(shí)推送消息內(nèi)容。當(dāng)消息供應(yīng)者和消息訂閱者的數(shù)量按照同等規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。這表明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效地控制分布式消息傳遞，具有良好的運(yùn)行效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文針對(duì)鐵路牽引供電SCADA系統(tǒng)中消息傳遞效率較低、接口復(fù)雜不統(tǒng)一的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套通用的消息中間件方案。該方案對(duì)系統(tǒng)角色、消息內(nèi)容進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)消息傳遞的機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，利用Quorum-Based改進(jìn)算法確保了分布式節(jié)點(diǎn)之間的消息一致性。仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐結(jié)果表明，本方案設(shè)計(jì)的消息中間件能夠適應(yīng)不同規(guī)模的SCADA系統(tǒng)應(yīng)用，具有良好的可靠性和運(yùn)行效率。

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