基于Redis的ATS缓存系统设计与实现.pdf
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1、第 卷第 期计算机应用与软件 年 月 基于 的 缓存系统设计与实现程远瑶王昕怡陈逸郭佳(通号城市轨道交通技术有限公司北京 )收稿日期:。程远瑶,硕士,主研领域:通号城市轨道信号信息研究开发。王昕怡,硕士。陈逸,硕士。郭佳,学士。摘要随着城轨信号系统信息化的发展,列车自动监控系统(,)云化、数据融合、全自动驾驶等新兴技术的应用导致各系统间数据类型及数量急剧增加,在实时性、可靠性、业务开发成本等方面为 的分布式协作系统架构带来挑战。提出一种基于 的 缓存系统设计,具备高实时性、高可用性和灵活的数据扩展性,同时结合 分布自律的特性,实现了网络冗余、数据同步等功能。关键词列车自动监控系统分布式缓存 城
2、市轨道交通信号系统中图分类号 文献标志码 :(,),(),引言信号系统是城市轨道交通列车控制的神经中枢,列车自动监控系统()是整个城市轨道交通信号系统的运营核心,负责监视和控制线路中所有列车的运行状态,是城轨信息化体系建设中的重要一环 。城轨线路地域分布广,对实时性要求高,车站节点需要具备独立运行的能力,并由中心集中控制所属车站 。因此 一般设计为分布自律、中心集中控制的系统,且系统关键设备及网络结构采用冗余的方式部署,保证系统具有高度的可靠性和可用性。全自动运行系统是城轨列车控制自动化发展的新阶段 ,系统需要接入更多其他专业的数据,增加与其他系统联动。现有的 存储系统无法满足日益增长的数据交
3、互需求,因此迫切需要一套实时强、可靠性高、灵活易扩展、支持分区容错的缓存系统。目前常用的分布式缓存架构多以内存数据库 、为存储核心搭建集群 ,缓存热点数据、提高系统访问的并发量,具备极高的读写性能和可靠性,但系统中各节点对缓存数据的访问会因网络传输距离增加带来整体响应时延的增加,不适合地域分布广、对实时性要求高的应用场景。为解决上述问题及挑战,本文基于 强大的性能优势和灵活的数据结构,根据 的特点,设计了适用于 的缓存系统,提供实时性强、可靠性高的数据服务。系统设计方案分布式系统遵循 (,)定理进行设计,即在构建分布式系 计算机应用与软件 年统时,一致性()、可用性()、分区容错性()这三个要
4、素最多只能同时实现两点,不可能三者兼顾。由于轨道交通信号系统领域对系统性能有高安全性、高可靠性的需求,高可用性、高分区可用性是更系统更核心的设计目标,对一致性的要求只需保证在系统数据收敛后,对系统的所有访问都将返回相同的结果,满足最终一致性即可。因此在 分布式缓存业务场景中,以满足可用性、分区容忍性、最终一致性为目标,以保证系统稳定可靠地运行。由于城轨线路长度一般在十几公里到上百公里,地域延伸广,为保证系统稳定可靠及实时性,系统采用分布自律系统,车站分机提供车次跟踪、进路选排等业务服务,中心服务器提供全线监视、控制等服务,区域故障,不影响系统提供基本服务。基于以上 业务场景,本文设计缓存系统采
5、用混合分割式和复制式的拓扑结构,系统设计方案如图 所示。基于 的 分布式缓存系统采用 作为实时信息的缓存数据库。为快速服务实时响应,避免远距离站间网络通信带来的时延影响,本文方案将 模块与其他业务模块置于同一物理节点中,各节点缓存独立信息,为本节点提供数据服务,节点间数据通过同步达到数据最终一致性。每个缓存节点设立一个或多个缓存数据的备份,用于保障数据的可靠性。在本文中,不失一般性地建模为一个中心三个车站缓存数据库,中心缓存数据库对应三个备机,各车站各对应一个备机。本分布式缓存系统由中心和车站的缓存数据库构成,中心缓存数据库通过主主同步的方式从各车站缓存数据库同步数据,各缓存备机通过主从同步的
6、方式实现与缓存数据库的数据同步。图 基于 的 缓存系统整体方案 系统结构详细设计本文基于开源组件 设计实现了满足业务场景需求的高可靠性、高实时性的 分布式缓存系统。为保证系统具有高度的可靠性和可用性,系统关键设备及网络结构采用冗余的方式。单物理节点的 分布式缓存系统详细设计如图 所示。作为缓存主程序,直接与 系统业务组件进行数据交互,存储实时数据,提供查询、存储、修改等服务;与高可用模块交互信息,负责物理节点 冗余设备的维护、切换、设备主从状态发布。管理组件负责监控与管理 状态信息,包括 主从状态、运行状态等;与网络组件交互数据,实现网络冗余控制;与数据同步模块交互信息,实现不同节点数据同步。
7、图 分布式缓存系统结构详细设计 系统功能详细设计 缓存数据结构设计 系统中唯一物理设备对应多个属性,包括列车信息、轨道、道岔、信号机等状态信息、状态信息等,数据结构具有明显的树状结构特点,与 提供的键值对形式的 数据结构特点类似。使用 结构存储可以使业务组件轻松访问到具体设备目标属性的状态值,避免非必要的冗余信息访问。为避免 缓存中键冲突问题,需要设计设备的唯一标识为键,属性值为对应的设备具备的属性或者车站下特定设备标识。以联锁表示信息为例,缓存的数据结构设计如表 所示,为线路码 站码;为设备类型和设备 的组合;为设备的状态色码值。与 可以表征某线路某站的某个特定设备,具备全局唯一性。表 联锁
8、缓存标识信息数据结构 线路码 站码设备类型 设备 状态色码值设备类型 设备 状态色码值设备类型 设备 状态色码值设备类型 设备 状态色码值第 期程远瑶,等:基于 的 缓存系统设计与实现 网络冗余功能设计网络冗余是工业网络的一项保障策略。作为快速反应备份系统,网络冗余的目的是减轻意外中断的风险,通过即时响应保证生产连续,从而降低关键数据流上任意一点失效所带来的影响。系统涉及安全相关,为保证系统的可靠性、实时性,在运输层采用双网冗余设计,在双网的情况下,即使某一单网连接故障也不应该影响正常的通信,从而保证传输的可靠性。双网需要实现数据的冗余传输功能,发送方要将一个数据包发送到两个单网连接上,两个同
9、样的数据包先后从两个单网连接到达接收方,接收方取先到的数据包,丢弃后到的数据包。为了实现该功能,通过设计双网协议对单网连接进行封装,增加双网序列号用于唯一标识在两个单网上传输的数据包,如表 所示。双网的序列号为 字节(位)整数,假设传输速度为每微秒发送一个数据包,该序列号发生溢出需要 多万年的时间,因此理论上可以保证该序列号永远都不会重复,实现对数据包的唯一标识。表 双网协议包格式序号内容字节内容说明双网序列号用于双网数据包的唯一标识;程序启动后从 开始递增计数,到达 字节限制后变成 应用数据不属于双网层 数据同步功能设计为保证数据的一致性,需要通过设计适配 系统的分布式缓存同步策略,保证车站
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