国际气象通信系统传输模型研究

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　　摘   要：国家气象信息中心承担世界气象组织（WMO）全球电信系统（GTS）区域通信枢纽（RTH）的职责，目前由第三代国际气象通信系统具体实施。通过对该系统的框架结构和数据传输流程的分析，描绘出此系统传输处理的分层模型。通过此模型能够为分析、维护和改进国际气象通信系统的提供支撑。更进一步，介绍了WMO信息系统（WIS）全球信息系统北京中心（GISC Beijing）的传输模型，描述该模型如何演化和发展。
　　关键词：全球电信系统;WMO信息系统;气象通信;分层模型
　　中图分类号：TP39                                            文獻标识码：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
　　全球电信系统GTS（Global Telecommunication System）是为了构建世界气象监测网（World Weather Watch），进行气象数据和产品的收集、交换、分发，并满足时效性、覆盖性、一致性、可靠性等要求的气象通信系统。国家气象信息中心作为GTS主干网上的区域通信枢纽RTH（Regional Telecommunication Hub），与日本、德国、俄罗斯、欧洲气象卫星组织等10个国外中心建立有国际气象通信链路，对于区域间和区域内的实时气象信息传输起到了核心作用[1]。RTH北京的主要功能由国家气象信息中心开发运行的第三代国际气象通信系统来实现。
　　2007年，第十五届世界气象大会批准了WMO信息系统（WIS）计划，标志着WIS进入实施阶段，它将依托目前支撑WWW计划数据传输和服务的全球电信系统（GTS）进行实施和过渡。GTS是WMO现有信息系统中最为成功的部分，但是它基于点对点通信线路和专用传输规范进行数据交换，在支持WMO其他计划的数据传输以及为更多用户提供数据服务方面存在着局限性[2]。2011年5月，第十六次世界气象大会正式批准世界气象组织全球信息系统中心北京中心的建立[3-4]。
　　1   WMO GTS和RTH北京
　　1.1   GTS的基础网络结构
　　全球电信系统GTS是一个三层的网络结构，如图1：
　　●   MTN（骨干通信网络）：由三个世界气象中心（WMC）和包括北京在内的15个区域通信枢纽（RTH）连接组成，此核心网络保证各气象通信中心（MTCs）之间有效、快速和可信的信息传输; 　　●   RMTNs（区域气象通信网络）：由覆盖全球6个区域的网络线路组成，保证骨干通信网络与国家气象中心（NMC）的互联互通;
　　●   NMTNs（国家气象通信网络）：主要满足国家层面收集和分发气象信息;
　　另外基于卫星的数据收集和分发系统也是GTS重要的组成部分。
　　1.2   GTS的数据传输流程
　　根据WMO的要求，GTS传输的数据、资料、产品，有统一的编码规则[5-6]、编报规则[5-8]、通信协议、传输路由以及质量保证等规范。GTS是点对点通信线路和专用传输规范进行数据交换的最典型实施。观测数据的从发送端开始，需要经过如下步骤：
　　（1）根据编码手册[5-6]进行编码。将原始观测数据（Raw Data）依照观测类别所对应的编码格式（FM），编码成为报告（Report）;
　　（2）根据公报目录[7]进行编报。由对应的编报中心负责收集责任范围内的报告，将这些报告根据观测类别进行汇集，并附上该类型的简式报头（Abbreviated Heading，使用“TTAAii”表示）、观测时次（适用“YYGGgg”表示）以及编报中心的代号（使用“CCCC”表示），形成公报（Bulletin）;
　　（3）根据GTS手册[8-9]按照传输格式进行统一编报。各RTH负责收集责任区内的各个编报中心的公报，根据通信链路的协议要求，选择编报的字符集，然后将简式报头、时次、编报中心、公报正文等内容编成符合GTS规范的传输格式的公报，其中还包括了用于确保传输顺序的流水号和确保修订关系的订正项（使用“BBB”表示），形成用于传输的公报消息（Message）;
　　（4）根据GTS手册的传输协议进行传输。对于目前广泛使用的FTP方式，这个步骤还需对公报进行累积打包，而后生成文件（File）;
　　（5）根据GTS手册的区域划分及其数据传输路径，RTH依托各自报文转发或者编辑报发送路由，每类公报根据简式报头、时次、编报中心按照控制数据发送给指定RTH或者NMC;
　　（6）传输依赖于GTS网络的基础网络结构，根据RTH之间达成的双边协议，进行传输，包括通信链路（Link）、通信协议、通信质量保障等。
　　数据在接收端的处理是发送的逆过程。
　　1.3   第三代国际气象通信系统的体系结构
　　北京第三代国际气象通信系统按照GTS技术规范要求[10]，实现了上节所描述的发送处理、接收处理以及中间存储、报文编辑等功能。第三代国际气象通信系统的应用软件系统由数据收发系统、报文处理系统和业务监控系统组成。其中，支持各类电路、协议的数据接收系统通过GTS电路和Internet收集数据后，由报文处理系统处理、存储、以及向其它业务系统（如：国内气象通信系统，实时数据库系统等）进行分发;同时，报文处理系统按照业务要求，将第三代国际气象通信系统收集到的国内、外各类资料，提供给数据分发系统，由数据发送软件完成资料向各条GTS电路和Internet的发送。第三代国际气象通信系统的数据输入/输出、处理过程，系统运行状态等都可以通过业务监控系统进行监视和控制。国际气象通信系统中各功能组件之间的协作关系如图2所示。
　　第三代国际气象通信系统的核心是报文处理系统，承担GTS规范和路由要求的格式检查、报文存储、报文转发、报文编辑、编报打包等诸多任务，主要基于文件工作。报文的转发、编辑主要依赖于控制数据[11]，据此在特定时刻执行某项任务，而处理中的报文则放在报文处理缓存库中。
　　数据收发系统负责报文的接收和发送，同时保证报文处理系统与对外通信链路的隔离。数据收发系统与专用连接、公网连接、内网连接等通信网络相连：专用连接（简称专线）是指专门用于RTH北京与其它RTH或者NMC，以及同城系统进行通信的连接;公网连接是指通过Internet线路进行通信的连接，可以使用FTP、HTTP或SMTP协议等，通信与Internet上的其他通信不隔离;内网连接是指国际气象通信系统与其它系统通信的连接，如国内通信系统、实时数据库等。业务监控系统实时监视着系统运行状况，并在出现异常和问题的时候告警，同时提供给操作员人机交互的界面。
　　第三代国际气象通信系统的传输功能依赖于数据收发系统和通信连接，目前主要基于FTP协议进行传输。报文处理系统根据通信伙伴中心和传输内容的类别进行了划分，每个“<伙伴中心，内容类别>对”都定义为一个逻辑通道（LCN）。例如，字符码资料与RTH东京之间的传输定义为“11”通道，二进制编码资料与NMC平壤之间的传输定義为“76”通道。因此报文处理的整个过程就是在该特定通道中进行的变换过程。
　　其中报文处理系统并不一定是收到以后直接转发，而是先存储在报文处理缓存库中，根据控制数据在合适的时刻读取并编报发送。
　　这种通道式结构反映了报文处理的实质，也是RTH的基本功能：数据的选择性转发。换句话说，这种选择性转发是将一条输入通道中的数据，根据控制数据，实时或者延时地进行转发到一条输出通道中。这个“输入通道-控制数据-输出通道”的模式与网络路由器“输入线路-路由表-输出线路”的模式十分接近;不同之处是路由器可以认为是只进行实时转发，而报文处理系统是延时/定时转发。
　　在每个这样的处理管道线中，数据依次经过各级处理，最终封装成为可供传输的格式;每次处理都是依据“<伙伴中心，内容类别>对”对报文格式进行的变换，可以看成是一个管道线;整个报文处理管道线序列就构成了一个流水线一样的处理流程。管道线中每个处理步骤，都是针对特定“<伙伴中心，内容类别>对”进行变换的处理模块，可以加入新的处理模块，去除现有的处理模块，修改处理模块的算法等。 　　2   报文传输处理的分层模型
　　根据GTS传输的流程框架，以及国际气象通信系统的设计和运行的实践，可以归纳得到一个报文传输处理的分层模型，称为国际气象信息交互层次模型（Meteorological Information Interconnection Layers Model）。这个模型仿照ISO开放式通信系统（OSI）参考模型的分层结构，表示了对通信数据的逐层封装/解封。如图3所示。
　　这样的分层结构，具有与OSI参考模型相同的结构特性：
　　●   不同结点相同层次具有相同的功能;
　　●   相同层次之间通过相同的协议进行对等层之间的通信;
　　●   每一层使用下层的服务并向上层提供服务;
　　●   上层的数据是下层的负载。
　　发送方数据由最高层逐渐向下层传递，到接收方数据由最低层逐渐向高层传递。
　　数据在发送的时候，从上向下逐层封装，经过编码、编报、累积打包等处理以后，依次封装成为报告、公报、消息、文件，然后通过网络传输方式发送给目标主机;目标主机依照相反的顺序进行逐层解封，最终还原数据。
　　层次高的相对于层次低的称为上层，相对的称为下层;相互通信的、层次相同的两层称为对等层。特别地，如果上层和下层相邻，则互称为上邻层和下邻层。在每个层次看来，它与对等层之间的通信只依赖于它和下邻层之间的接口，而与下层的实现方式、下层与其对等层之间的通信协议等无关。某层向其上邻层提供服务的接口称为服务接口，调用其下邻层服务的接口称为协议接口。
　　下面以北京15日00时次整的常规地面观测数据的传输为例进行说明：
　　（1）经过FM 12-XI Ext. SYNOP编码成为一份报告（Report）;
　　（2）经过汇集其他参与国际交换的报告并附加SMCIBABJii 150000的报头（TTAAiiCCCCYYGGgg）等信息，成为一份公报（Bulletin）;
　　（3）交给编报程序根据字符集No.5变成以报文开始符（SOH）开头、以文本结束符（ETX）结尾的消息（Message）;
　　（4）由累积打包程序放入文件（File）中，由于传输方式为FTP，文件名为BABJnnnnnnnn.a（其中nnnnnnnn为文件流水号）;
　　（5）最后通过FTP传输服务进行发送。
　　如果改用WMO推行使用的表格驅动编码格式（TDCF），则处理过程为：
　　（1）观测数据根据FM 95 BURF进行编码;
　　（2）附加ISMNiiBABJ 150000的报头等信息，并最终汇集成为公报（Bulletin）;
　　（3）交给编报程序根据字符集No.5变成SOH开头、以ETX结尾的消息（Message）;
　　（4）由累积打包程序放入文件（File）中，文件名为BABJnnnnnnnn.b（其中nnnnnnnn为文件流水号）
　　（5）最后通过FTP传输服务进行发送。
　　3   分层模型的分析与实践
　　3.1   分层模型的分析
　　分层结构的特性使得国际气象信息交互层次模型具有如下性质：
　　●   抽象性：层次越高则设计的抽象层次就越高;
　　●   低耦合：某个层次的变动只可能影响上邻层和下邻层;
　　●   重用性：某个层次可以通过不同的方式实现;
　　●   管道性：针对某个“<伙伴中心，内容类别>对”，处理流程和变换过程等效于一个专用于处理该“<伙伴中心，内容类别>对”的管道线。
　　例如，在Bulletin的编码格式上，可以选择字符编码和BUFR码格式等;在Message的编报格式上，可以选择No.2字符集和No.5字符集;在传输方式上可以选择FTP方式、TCP sockets方式等;在链路上可以选择专用链路、公网链路等。利用此模型能帮助系统维护和管理人员更好的实施业务，这在系统功能升级时尤为显著。
　　3.2   RTH北京-东京线路功能升级
　　为更好的满足WMO规范要求，RTH北京和东京开展了传输功能升级工作，主要目标是：1）从TCP sockets方式升级成为FTP方式，2）实现消息的定时打包功能，3）实现文件的顺序流水传输。对照国际气象信息交互层次模型，可以得到如下需求：
　　（1）通信协议的升级，涉及到消息（Message）、打包文件（File）和链路（Link）部分;
　　（2）公报内容不发生改变，则原始数据（Data）、报告（Report）和公报（Bulletin）无影响;
　　（3）消息的定时打包，仅涉及打包文件（File）层;
　　（4）保证文件流水号的顺序性，则需要根据打包的情况，调整流水号计数器。
　　综合以上几点考虑，本次功能升级涉及协议（PROCOTOL）、文件（FILE）和消息（MESSAGE）三个层次的变更。
　　综上所述，升级方案采用了如下设计：
　　（1）在消息层，为实现定时打包功能，在组件程序中将原有消息通过消息队列的控制来实现;
　　（2）在文件层，当满足打包输出条件时，累积结果输出为符合下层（传输服务）需要的顺序流水号文件名（如BABJnnnnnnnn.a）;
　　（3）在协议层，使用FTP协议取代原有TCP Sockets方式，日志格式记录不变。 　　经过实际测试，该方案代码修改范围小而准确，由此带来的开发、测试等方面的风险也最小。借助模型的指导作用使得维护人员分析解决问题的目标更明确，方案设计更合理。
　　3.3   模型的演化
　　为了支撑WMO各项计划以及相关国际组织和计划的数据交换和共享，根据2003年世界气象大会报告（Cg-XIV，2003），WMO将建立下一代的信息系统——WIS。WIS的目的是提高WMO成员组织收集和分发数据及产品的能力。未来它将成为WMO的核心信息系统，为所有的WMO及其相关计划提供资料服务。它将使用国际行业标准的协议，通过在GTS核心和基础上改进并逐步演化，同时进行通信网络能力的升级建设，最终完成从传统GTS到WIS系统的平稳过渡[12]。WIS的核心基础结构包括：国家中心（NC）、资料收集和产品中心（DCPC）、GISC和连接这三个中心的数据通信网络。GISC是保证WIS全球性和区域性连接的核心通信中心，把全世界所有的责任地区连接起来。它们会从其负责的区域范围内的资料供应中心收集那些所有供全球分发的观测资料和产品，这些资料会被汇入大的综合数据集[13]。
　　中国气象局目前是GTS主干通信网的亚洲区域通信枢纽（RTH），建成GISC北京中心是CMA的既定目标，也是巩固和提升CMA在WMO通信网络及信息系统中的地位和影响力的重要举措。同时，通过承担GISC职责，还将提升中国气象局对全球实时数据和产品的发现和获取能力，拓展各类国外资料的收集途径，从而为我国气象预报业务和科研提供更为丰富、更高时效的数据支撑和服务。2011年，中国气象局完成GISC Beijing的业务化，实现WIS/GISC的目标[13]。
　　WIS计划并不改变国际气象信息交互层次模型分层架构，相反地，它需要对现有的GTS分层架构的进一步增强[14]，同时需要通过链路、协议以及交换文件的扩展来满足新增需求。该模型演化为图4所示：
　　为了支撑其他非气象行业部门和用户以及WMO其他计划对WWW的数据需求，必须依赖更为广泛的Internet互联特性，在线路和系统层需要改进;为满足对非行业用户对数据的检索和获取，在消息和文件层应扩展元数据和元数据描述载体（XML）的封装实现。
　　通过对国际气象信息交互层次模型的演化和分析，使得GISC Beijing的WIS实施技术路线更为清晰：一是继续巩固和进一步改善GTS，该系统用于传输时间和业务要求甚高的资料，以满足世界天气监视网及其他WMO计划的业务需要，同时它也是系统数据收集主要来源和分发的重要方式之一。主要采用专用通信手段（GTS专线和卫星广播）从而提供有质量保证的服务;第二，通过灵活的数据发现、获取和检索服务，将信息服务扩大到授权用户，以及灵活及时地提供服务，这主要通过因特网实施。
　　3.4   在气象其他领域的扩展
　　不仅在国际气象通信领域针对复杂的传输通信逻辑可以进行扩展，在国内气象通信领域，为了适应现有气象资料传输业务的动态需求，也不断在改进过程中体现着这种分层的设计模式：比如在新一代国内气象通信系统[16]中建立了基于NetCDF的数据封装增强对通信报文数据的读取和检索，通过封装通信消息使得气象数据能在收集与分发功能模块之间高效流转。在全国综合气象信息共享平台（CIMISS）[17]中更是引入气象元数据封装技术将分层设计模式拓展到气象数据的处理、归档和监控等环节。
　　实现气象资料统一平台下的高效收集与分发、统一数据格式检查标准、统一业务监视，使气象部门在未来一段时间内气象资料传输和资料信息业务传输拓展的重要依托。
　　4   結   论
　　通过对全球电信系统GTS的框架结构，尤其是其数据传输流程的分析，可以描绘出一个报文传输处理的模式，涵盖了气象数据传输的各种表达形式。基于第三代国际气象通信系统的开发和维护实践，在其逻辑通道概念的基础上，可以归纳出一个管道线式的处理模式，数据的实时或者延时转发。结合上述两种模式，仿照OSI参考模型，能够得到一个报文传输处理的分层模型。在此模型中，数据的传输过程表示为平行方向的对等层之间通过协议接口进行通信，数据的处理过程表示为垂直方向的逐层封装/解封的管道式的变换。处理过程以“<伙伴中心，内容类别>对”为判别依据，实现选择性转发的目的。
　　分层模型以报文传输处理系统为着眼点，融合并抽象概括了传输的基础网络结构，具有抽象性、低耦合、重用性、管道性等特点，能够比较合理地解释国际气象通信系统中报文处理传输的整体步骤和层次，通过理论分析和实践检验，证明此模型适合于分析国际气象通信系统中的不同的模块、协议、格式的功能、层次、作用、接口等，从而为国际气象通信系统的维护和发展提供了较好的模型框架。该模型同时也是随着技术的发展而不断演化，适应未来WIS的需求。
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