國際氣象通信系統(tǒng)傳輸模型研究

王甫棣 王鵬

摘? ?要：國家氣象信息中心承擔世界氣象組織（WMO）全球電信系統(tǒng)（GTS）區(qū)域通信樞紐（RTH）的職責，目前由第三代國際氣象通信系統(tǒng)具體實施。通過對該系統(tǒng)的框架結構和數(shù)據(jù)傳輸流程的分析，描繪出此系統(tǒng)傳輸處理的分層模型。通過此模型能夠為分析、維護和改進國際氣象通信系統(tǒng)的提供支撐。更進一步，介紹了WMO信息系統(tǒng)（WIS）全球信息系統(tǒng)北京中心（GISC Beijing）的傳輸模型，描述該模型如何演化和發(fā)展。

關鍵詞：全球電信系統(tǒng);WMO信息系統(tǒng);氣象通信;分層模型

中圖分類號：TP39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research on Transfer Model of International

Meteorological Telecommunication System

WANG Fu-di WANG Peng

（National Meteorological Information Centre，Beijing 100081，China）

Abstract：National Meteorological Information Centre functions as Regional Telecommunication Hub（RTH） of WMO Global Telecommunication System（GTS），which is implemented by the third generation international communication system. According to the architecture and transferring workflow analysis，this paper describes a hierarchical transfer model of this system. In this model，the data transfer process could be interpreted as a parallel direction of the corresponding layers through specific protocol for communication，while data handling process could be expressed as a vertical layer the pipeline of transformation by encapsulation and decapsulation. With the abstraction，low coupling，reusability and pipeline feature，it is a good support base for analysis，maintenance and improvement of Communication System. Moreover，after a contrast with the transfer model of WMO Information System （WIS） Global Information System Center Beijing，this paper gives the evolution and development process.

Key words：global telecommunication system;WMO information system;meteorological communication;hierarchical model

全球電信系統(tǒng)GTS（Global Telecommunication System）是為了構建世界氣象監(jiān)測網（World Weather Watch），進行氣象數(shù)據(jù)和產品的收集、交換、分發(fā)，并滿足時效性、覆蓋性、一致性、可靠性等要求的氣象通信系統(tǒng)。國家氣象信息中心作為GTS主干網上的區(qū)域通信樞紐RTH（Regional Telecommunication Hub），與日本、德國、俄羅斯、歐洲氣象衛(wèi)星組織等10個國外中心建立有國際氣象通信鏈路，對于區(qū)域間和區(qū)域內的實時氣象信息傳輸起到了核心作用[1]。RTH北京的主要功能由國家氣象信息中心開發(fā)運行的第三代國際氣象通信系統(tǒng)來實現(xiàn)。

2007年，第十五屆世界氣象大會批準了WMO信息系統(tǒng)（WIS）計劃，標志著WIS進入實施階段，它將依托目前支撐WWW計劃數(shù)據(jù)傳輸和服務的全球電信系統(tǒng)（GTS）進行實施和過渡。GTS是WMO現(xiàn)有信息系統(tǒng)中最為成功的部分，但是它基于點對點通信線路和專用傳輸規(guī)范進行數(shù)據(jù)交換，在支持WMO其他計劃的數(shù)據(jù)傳輸以及為更多用戶提供數(shù)據(jù)服務方面存在著局限性[2]。2011年5月，第十六次世界氣象大會正式批準世界氣象組織全球信息系統(tǒng)中心北京中心的建立[3-4]。

1? ?WMO GTS和RTH北京

1.1? ?GTS的基礎網絡結構

全球電信系統(tǒng)GTS是一個三層的網絡結構，如圖1：

●? ?MTN（骨干通信網絡）：由三個世界氣象中心（WMC）和包括北京在內的15個區(qū)域通信樞紐（RTH）連接組成，此核心網絡保證各氣象通信中心（MTCs）之間有效、快速和可信的信息傳輸;

2? ?報文傳輸處理的分層模型

根據(jù)GTS傳輸?shù)牧鞒炭蚣?，以及國際氣象通信系統(tǒng)的設計和運行的實踐，可以歸納得到一個報文傳輸處理的分層模型，稱為國際氣象信息交互層次模型（Meteorological Information Interconnection Layers Model）。這個模型仿照ISO開放式通信系統(tǒng)（OSI）參考模型的分層結構，表示了對通信數(shù)據(jù)的逐層封裝/解封。如圖3所示。

這樣的分層結構，具有與OSI參考模型相同的結構特性：

●? ?不同結點相同層次具有相同的功能;

●? ?相同層次之間通過相同的協(xié)議進行對等層之間的通信;

●? ?每一層使用下層的服務并向上層提供服務;

●? ?上層的數(shù)據(jù)是下層的負載。

發(fā)送方數(shù)據(jù)由最高層逐漸向下層傳遞，到接收方數(shù)據(jù)由最低層逐漸向高層傳遞。

數(shù)據(jù)在發(fā)送的時候，從上向下逐層封裝，經過編碼、編報、累積打包等處理以后，依次封裝成為報告、公報、消息、文件，然后通過網絡傳輸方式發(fā)送給目標主機;目標主機依照相反的順序進行逐層解封，最終還原數(shù)據(jù)。

層次高的相對于層次低的稱為上層，相對的稱為下層;相互通信的、層次相同的兩層稱為對等層。特別地，如果上層和下層相鄰，則互稱為上鄰層和下鄰層。在每個層次看來，它與對等層之間的通信只依賴于它和下鄰層之間的接口，而與下層的實現(xiàn)方式、下層與其對等層之間的通信協(xié)議等無關。某層向其上鄰層提供服務的接口稱為服務接口，調用其下鄰層服務的接口稱為協(xié)議接口。

下面以北京15日00時次整的常規(guī)地面觀測數(shù)據(jù)的傳輸為例進行說明：

（1）經過FM 12-XI Ext. SYNOP編碼成為一份報告（Report）;

（2）經過匯集其他參與國際交換的報告并附加SMCIBABJii 150000的報頭（TTAAiiCCCCYYGGgg）等信息，成為一份公報（Bulletin）;

（3）交給編報程序根據(jù)字符集No.5變成以報文開始符（SOH）開頭、以文本結束符（ETX）結尾的消息（Message）;

（4）由累積打包程序放入文件（File）中，由于傳輸方式為FTP，文件名為BABJnnnnnnnn.a（其中nnnnnnnn為文件流水號）;

（5）最后通過FTP傳輸服務進行發(fā)送。

如果改用WMO推行使用的表格驅動編碼格式（TDCF），則處理過程為：

（1）觀測數(shù)據(jù)根據(jù)FM 95 BURF進行編碼;

（2）附加ISMNiiBABJ 150000的報頭等信息，并最終匯集成為公報（Bulletin）;

（3）交給編報程序根據(jù)字符集No.5變成SOH開頭、以ETX結尾的消息（Message）;

（4）由累積打包程序放入文件（File）中，文件名為BABJnnnnnnnn.b（其中nnnnnnnn為文件流水號）

（5）最后通過FTP傳輸服務進行發(fā)送。

3? ?分層模型的分析與實踐

3.1? ?分層模型的分析

分層結構的特性使得國際氣象信息交互層次模型具有如下性質：

●? ?抽象性：層次越高則設計的抽象層次就越高;

●? ?低耦合：某個層次的變動只可能影響上鄰層和下鄰層;

●? ?重用性：某個層次可以通過不同的方式實現(xiàn);

●? ?管道性：針對某個“<伙伴中心，內容類別>對”，處理流程和變換過程等效于一個專用于處理該“<伙伴中心，內容類別>對”的管道線。

例如，在Bulletin的編碼格式上，可以選擇字符編碼和BUFR碼格式等;在Message的編報格式上，可以選擇No.2字符集和No.5字符集;在傳輸方式上可以選擇FTP方式、TCP sockets方式等;在鏈路上可以選擇專用鏈路、公網鏈路等。利用此模型能幫助系統(tǒng)維護和管理人員更好的實施業(yè)務，這在系統(tǒng)功能升級時尤為顯著。

3.2? ?RTH北京-東京線路功能升級

為更好的滿足WMO規(guī)范要求，RTH北京和東京開展了傳輸功能升級工作，主要目標是：1）從TCP sockets方式升級成為FTP方式，2）實現(xiàn)消息的定時打包功能，3）實現(xiàn)文件的順序流水傳輸。對照國際氣象信息交互層次模型，可以得到如下需求：

（1）通信協(xié)議的升級，涉及到消息（Message）、打包文件（File）和鏈路（Link）部分;

（2）公報內容不發(fā)生改變，則原始數(shù)據(jù)（Data）、報告（Report）和公報（Bulletin）無影響;

（3）消息的定時打包，僅涉及打包文件（File）層;

（4）保證文件流水號的順序性，則需要根據(jù)打包的情況，調整流水號計數(shù)器。

綜合以上幾點考慮，本次功能升級涉及協(xié)議（PROCOTOL）、文件（FILE）和消息（MESSAGE）三個層次的變更。

綜上所述，升級方案采用了如下設計：

（1）在消息層，為實現(xiàn)定時打包功能，在組件程序中將原有消息通過消息隊列的控制來實現(xiàn);

（2）在文件層，當滿足打包輸出條件時，累積結果輸出為符合下層（傳輸服務）需要的順序流水號文件名（如BABJnnnnnnnn.a）;

（3）在協(xié)議層，使用FTP協(xié)議取代原有TCP Sockets方式，日志格式記錄不變。

經過實際測試，該方案代碼修改范圍小而準確，由此帶來的開發(fā)、測試等方面的風險也最小。借助模型的指導作用使得維護人員分析解決問題的目標更明確，方案設計更合理。

3.3? ?模型的演化

為了支撐WMO各項計劃以及相關國際組織和計劃的數(shù)據(jù)交換和共享，根據(jù)2003年世界氣象大會報告（Cg-XIV，2003），WMO將建立下一代的信息系統(tǒng)——WIS。WIS的目的是提高WMO成員組織收集和分發(fā)數(shù)據(jù)及產品的能力。未來它將成為WMO的核心信息系統(tǒng)，為所有的WMO及其相關計劃提供資料服務。它將使用國際行業(yè)標準的協(xié)議，通過在GTS核心和基礎上改進并逐步演化，同時進行通信網絡能力的升級建設，最終完成從傳統(tǒng)GTS到WIS系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡[12]。WIS的核心基礎結構包括：國家中心（NC）、資料收集和產品中心（DCPC）、GISC和連接這三個中心的數(shù)據(jù)通信網絡。GISC是保證WIS全球性和區(qū)域性連接的核心通信中心，把全世界所有的責任地區(qū)連接起來。它們會從其負責的區(qū)域范圍內的資料供應中心收集那些所有供全球分發(fā)的觀測資料和產品，這些資料會被匯入大的綜合數(shù)據(jù)集[13]。

中國氣象局目前是GTS主干通信網的亞洲區(qū)域通信樞紐（RTH），建成GISC北京中心是CMA的既定目標，也是鞏固和提升CMA在WMO通信網絡及信息系統(tǒng)中的地位和影響力的重要舉措。同時，通過承擔GISC職責，還將提升中國氣象局對全球實時數(shù)據(jù)和產品的發(fā)現(xiàn)和獲取能力，拓展各類國外資料的收集途徑，從而為我國氣象預報業(yè)務和科研提供更為豐富、更高時效的數(shù)據(jù)支撐和服務。2011年，中國氣象局完成GISC Beijing的業(yè)務化，實現(xiàn)WIS/GISC的目標[13]。

WIS計劃并不改變國際氣象信息交互層次模型分層架構，相反地，它需要對現(xiàn)有的GTS分層架構的進一步增強[14]，同時需要通過鏈路、協(xié)議以及交換文件的擴展來滿足新增需求。該模型演化為圖4所示：

為了支撐其他非氣象行業(yè)部門和用戶以及WMO其他計劃對WWW的數(shù)據(jù)需求，必須依賴更為廣泛的Internet互聯(lián)特性，在線路和系統(tǒng)層需要改進;為滿足對非行業(yè)用戶對數(shù)據(jù)的檢索和獲取，在消息和文件層應擴展元數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)描述載體（XML）的封裝實現(xiàn)。

通過對國際氣象信息交互層次模型的演化和分析，使得GISC Beijing的WIS實施技術路線更為清晰：一是繼續(xù)鞏固和進一步改善GTS，該系統(tǒng)用于傳輸時間和業(yè)務要求甚高的資料，以滿足世界天氣監(jiān)視網及其他WMO計劃的業(yè)務需要，同時它也是系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集主要來源和分發(fā)的重要方式之一。主要采用專用通信手段（GTS專線和衛(wèi)星廣播）從而提供有質量保證的服務;第二，通過靈活的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、獲取和檢索服務，將信息服務擴大到授權用戶，以及靈活及時地提供服務，這主要通過因特網實施。

3.4? ?在氣象其他領域的擴展

不僅在國際氣象通信領域針對復雜的傳輸通信邏輯可以進行擴展，在國內氣象通信領域，為了適應現(xiàn)有氣象資料傳輸業(yè)務的動態(tài)需求，也不斷在改進過程中體現(xiàn)著這種分層的設計模式：比如在新一代國內氣象通信系統(tǒng)[16]中建立了基于NetCDF的數(shù)據(jù)封裝增強對通信報文數(shù)據(jù)的讀取和檢索，通過封裝通信消息使得氣象數(shù)據(jù)能在收集與分發(fā)功能模塊之間高效流轉。在全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）[17]中更是引入氣象元數(shù)據(jù)封裝技術將分層設計模式拓展到氣象數(shù)據(jù)的處理、歸檔和監(jiān)控等環(huán)節(jié)。

實現(xiàn)氣象資料統(tǒng)一平臺下的高效收集與分發(fā)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式檢查標準、統(tǒng)一業(yè)務監(jiān)視，使氣象部門在未來一段時間內氣象資料傳輸和資料信息業(yè)務傳輸拓展的重要依托。

4? ?結? ?論

通過對全球電信系統(tǒng)GTS的框架結構，尤其是其數(shù)據(jù)傳輸流程的分析，可以描繪出一個報文傳輸處理的模式，涵蓋了氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N表達形式?；诘谌鷩H氣象通信系統(tǒng)的開發(fā)和維護實踐，在其邏輯通道概念的基礎上，可以歸納出一個管道線式的處理模式，數(shù)據(jù)的實時或者延時轉發(fā)。結合上述兩種模式，仿照OSI參考模型，能夠得到一個報文傳輸處理的分層模型。在此模型中，數(shù)據(jù)的傳輸過程表示為平行方向的對等層之間通過協(xié)議接口進行通信，數(shù)據(jù)的處理過程表示為垂直方向的逐層封裝/解封的管道式的變換。處理過程以“<伙伴中心，內容類別>對”為判別依據(jù)，實現(xiàn)選擇性轉發(fā)的目的。

分層模型以報文傳輸處理系統(tǒng)為著眼點，融合并抽象概括了傳輸?shù)幕A網絡結構，具有抽象性、低耦合、重用性、管道性等特點，能夠比較合理地解釋國際氣象通信系統(tǒng)中報文處理傳輸?shù)恼w步驟和層次，通過理論分析和實踐檢驗，證明此模型適合于分析國際氣象通信系統(tǒng)中的不同的模塊、協(xié)議、格式的功能、層次、作用、接口等，從而為國際氣象通信系統(tǒng)的維護和發(fā)展提供了較好的模型框架。該模型同時也是隨著技術的發(fā)展而不斷演化，適應未來WIS的需求。

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