基于Kafka 的公交GPS 數(shù)據(jù)實時通訊系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

何 偉 王 浩 綦忠平

（濟(jì)南公共交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250013）

關(guān)鍵字：GPS；Kafka；實時處理；大數(shù)據(jù)技術(shù)

隨著城市擁堵加劇，為減少無效等待時間，降低等車焦慮，市民對公交車輛動態(tài)運行信息的實時性和準(zhǔn)確性要求日益提高，保障車輛運行數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和完整性已成為公交企業(yè)對外服務(wù)和內(nèi)部管理的關(guān)鍵。保證核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、有效應(yīng)對每秒數(shù)萬筆的GPS 數(shù)據(jù)傳輸和處理成為重中之重，若不能進(jìn)行流量緩沖將直接引發(fā)系統(tǒng)崩潰和服務(wù)停滯，亟需利用大數(shù)據(jù)技術(shù)幫助業(yè)務(wù)系統(tǒng)處理瞬間流量洪峰的沖擊，保持各個應(yīng)用之間的消息通暢。

1 現(xiàn)狀及分析

公交運力隨著城市拓展不斷提升，傳統(tǒng)的公交數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)已無法滿足新時代公交調(diào)度和乘客信息服務(wù)的需求，需要建設(shè)滿足高可靠、高并發(fā)的實時數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。

1.1 現(xiàn)狀問題

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)存在以下幾個方面的問題：

（1）在處理海量并發(fā)數(shù)據(jù)方面，存在單點故障和負(fù)載不均衡等問題。

（2）系統(tǒng)模塊耦合度較高、功能復(fù)雜，存在故障定位、追溯和運維困難等問題。

（3）數(shù)據(jù)流經(jīng)環(huán)節(jié)多，存在網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫、機(jī)房網(wǎng)絡(luò)等軟硬件綜合故障概率大等問題。

1.2 業(yè)務(wù)需求

公交GPS 數(shù)據(jù)實時通訊系統(tǒng)需能正確、高效地解析、轉(zhuǎn)發(fā)和存儲數(shù)據(jù)，滿足高吞吐、高并發(fā)、高可用等工作要求，能準(zhǔn)確監(jiān)控公交車輛運行位置、速度等狀態(tài)信息，在保障公交智能調(diào)度系統(tǒng)運行正常和滿足人們的出行信息服務(wù)需求方面發(fā)揮出關(guān)鍵作用。

（1）負(fù)載均衡：基于TCP 和HTTP 提供代理服務(wù)，需支持負(fù)載均衡。

（2）高并發(fā)性：支持高并發(fā)解析和處理數(shù)據(jù)，需保證實時響應(yīng)能力。

（3）實時性：面對大量數(shù)據(jù)接入，需能正確、實時、完整地解析和處理數(shù)據(jù)。

（4）高可用性：保證主備服務(wù)器可用，應(yīng)避免因單臺故障影響整體服務(wù)不可用。

（5）高穩(wěn)定性：通信服務(wù)器應(yīng)對大量連接保持穩(wěn)定連接狀態(tài)，避免宕機(jī)。

（6）可拓展性：平臺模塊低耦合，模塊之間的需求發(fā)生改變不影響整個系統(tǒng)的可用性。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

針對上述業(yè)務(wù)需求，本文選擇基于分布式發(fā)布-訂閱消息系統(tǒng)Kafka 設(shè)計搭建公交GPS 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。Kafka 是一個高吞吐量的分布式消息訂閱-發(fā)布系統(tǒng)，具備高性能、持久化、多副本備份、橫向擴(kuò)展能力。通過生產(chǎn)者向隊列里寫消息，消費者從隊列里取消息進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，相對于傳統(tǒng)的消息隊列，Kafka 可實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的解耦、削峰和異步處理。公交智能調(diào)度系統(tǒng)采用具備高性能異步通信能力的Netty 框架；選用HAProxy 構(gòu)建代理服務(wù)器并結(jié)合Keepalive 健康檢查，解決通信服務(wù)器的單點故障、負(fù)載不均問題，實現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移的高可用方案；選用Kafka 分布式消息隊列降低模塊耦合度，解決通信服務(wù)和數(shù)據(jù)庫耦合度高、模塊功能復(fù)雜且難以維護(hù)的問題；其他模塊利用Kafka 定制分發(fā)策略，將Kafka 作為數(shù)據(jù)源，達(dá)到模塊功能單一、系統(tǒng)性能最優(yōu)的目的。系統(tǒng)設(shè)計模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計模塊

2.1 Kafka 消息隊列

典型的用于數(shù)據(jù)通訊的分布式消息中間件主要包括ActiveMQ、RabbitMQ、ZeroMQ、Kafka 等。ActiveMQ 不支持集群控制臺管理，訪問吞吐量較低，RabbitMQ 伸縮性不能滿足遞增的系統(tǒng)規(guī)模，ZeroMQ 由于采用內(nèi)存進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，沒有持久化機(jī)制。

Kafka 支持發(fā)布訂閱模式，滿足低延遲、高吞吐、高可用需求，吞吐量可隨集群擴(kuò)展而線性增加，在海量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，同時支持離線數(shù)據(jù)處理和實時數(shù)據(jù)處理。通過對比分析，選擇Kafka應(yīng)用于分布式公交GPS 大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。消息傳遞模式如圖2 所示。

圖2 消息傳遞模式

2.2 Netty 通信框架

Netty 通訊框架具有高性能、異步通信、事件驅(qū)動的特點，適合用于構(gòu)建高性能、分布式通信系統(tǒng)，可用于快速開發(fā)、維護(hù)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的服務(wù)器和客戶端。

2.3 HAProxy

HAProxy 提供基于TCP 的負(fù)載均衡，具有高性能、高可靠、高安全特性，支持萬級并發(fā)，包括GitHub、Twitter、亞馬遜等知名網(wǎng)站都使用了HAProxy。

2.4 數(shù)據(jù)庫

Redis 是高性能NoSQL 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采取內(nèi)存存儲方式，利用復(fù)制特性擴(kuò)展讀性能，利用客戶端分片擴(kuò)展寫性能，采用單線程工作模型，避免頻繁上下文切換，采用非阻塞I/O 多路復(fù)用機(jī)制。

3 通訊系統(tǒng)架構(gòu)

針對公交車輛運行實時數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)利用Netty 集群解決高并發(fā)通信問題，選用Kafka 集群作為實時消息處理模塊的中間件，利用Kafka 的異步解耦功能，避免系統(tǒng)業(yè)務(wù)之間相互耦合影響，實現(xiàn)上、下游業(yè)務(wù)系統(tǒng)松耦合，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，縮短用戶請求的響應(yīng)時間，保證智能調(diào)度子系統(tǒng)或子模塊的故障不影響整個鏈路。

利用Kafka 技術(shù)搭建大規(guī)模的消息系統(tǒng)，Kafka具有消息持久化、高吞吐、分布式、實時、低耦合、多客戶端支持、數(shù)據(jù)可靠等諸多特點，系統(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計流程

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

公交車載終端與通訊服務(wù)器建立TCP 連接，車輛運行數(shù)據(jù)經(jīng)代理服務(wù)器、Netty 集群通信服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)推送到Kafka 集群消息隊列服務(wù)器。為保證對外服務(wù)的時效性，減少數(shù)據(jù)入庫延遲影響，公交手機(jī)來車預(yù)報APP、電子站牌等業(yè)務(wù)首選從Kafka獲取車輛GPS 數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫獲取車輛注冊數(shù)據(jù)。智能調(diào)度車輛運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、安全管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫獲取車輛運行動靜態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)整體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)源層（公交車載GPS），用于產(chǎn)生原始GPS 數(shù)據(jù)，通過4G 無線網(wǎng)絡(luò)實時上傳，每5 秒上傳1 次。

（2）數(shù)據(jù)通訊層，利用Netty 集群與車載設(shè)備實時連接，實現(xiàn)公交車載設(shè)備上線注冊、數(shù)據(jù)通訊、負(fù)載均衡等功能。每臺虛擬服務(wù)器可支持500 輛車實時通訊。

（3）數(shù)據(jù)分發(fā)層，利用Kafka 集群實時處理5000 多個終端的高并發(fā)GPS 數(shù)據(jù)，并以毫秒級延遲實時發(fā)布，滿足內(nèi)外不同應(yīng)用場景的消息訂閱需求。

（4）數(shù)據(jù)存儲層，利用Redis 數(shù)據(jù)庫緩存實時數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)訪問效率；利用Oracle 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行計算與交互。

（5）數(shù)據(jù)輸出層，分為對外便民服務(wù)和內(nèi)部業(yè)務(wù)管理兩部分，對外服務(wù)重點保障高實時性，內(nèi)部管理兼顧實時性與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

本文設(shè)計的通訊系統(tǒng)架構(gòu)，部署在虛擬機(jī)集群之上提供服務(wù)，可有效避免由于智能調(diào)度系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)庫故障導(dǎo)致的對外服務(wù)停滯問題，提高了系統(tǒng)整體的可用性和可靠性。

3.2 內(nèi)部功能模塊

GPS 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)是公交智能調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，主要包括車輛注冊、心跳連接、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)接口等功能（圖5）。該系統(tǒng)從總體設(shè)計方面來講，每個模塊功能較為單一，降低了模塊之間的耦合度，提高了模塊靈活性和復(fù)用率。

圖5 通訊系統(tǒng)內(nèi)部模塊

（1）車輛注冊功能：通信服務(wù)器與車載終端建立連接，接收車輛登錄和注冊信息，將車輛注冊信息存入數(shù)據(jù)庫。

（2）健康檢查功能：采用心跳連接，系統(tǒng)自身維護(hù)車載終端和通信服務(wù)器長鏈接狀態(tài)。

（3）數(shù)據(jù)解析功能：依據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)終端通訊協(xié)議，正確解析數(shù)據(jù)，并校驗數(shù)據(jù)的正確性。

（4）數(shù)據(jù)存儲功能：結(jié)合業(yè)務(wù)需要，分類分庫存儲。車輛運行數(shù)據(jù)存入Redis 數(shù)據(jù)庫，提高訪問效率，同時車輛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)存入Oracle 數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)追溯。

（5）數(shù)據(jù)接口：系統(tǒng)對外公布服務(wù)接口，供企業(yè)內(nèi)部其他系統(tǒng)或外部第三方獲取動態(tài)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)評價

本文提出的基于Kafka 的公交GPS數(shù)據(jù)實時通訊系統(tǒng)充分利用了先進(jìn)的實時大數(shù)據(jù)流處理技術(shù)，并針對公交GPS數(shù)據(jù)流的特點對技術(shù)選型和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究和設(shè)計。經(jīng)過研究分析及實際應(yīng)用（圖6），本文設(shè)計的數(shù)據(jù)實時通訊系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢。

圖6 系統(tǒng)環(huán)境配置及并發(fā)訪問

（1）數(shù)據(jù)處理高效。系統(tǒng)采用當(dāng)前先進(jìn)的高可靠、高吞吐量的Kafka 消息系統(tǒng)，基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實時處理能力強(qiáng)，較傳統(tǒng)架構(gòu)處理效率顯著提升。

（2）功能擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)采用的Kafka 消息隊列、Netty 通信集群、Oracle數(shù)據(jù)庫和Redis 數(shù)據(jù)庫均采用分布式集群架構(gòu)，具備較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。隨著公交車輛增多，系統(tǒng)處理能力可平滑擴(kuò)展，有效降低了系統(tǒng)擴(kuò)展成本。

（3）系統(tǒng)可用性強(qiáng)。通過服務(wù)器集群提供負(fù)載均衡，通過Kafka 消息隊列集群和Oracle 數(shù)據(jù)庫集群多通道提供實時數(shù)據(jù)，縮小單點故障的影響范圍，避免造成出行信息服務(wù)停滯。

（4）可恢復(fù)性高。系統(tǒng)的一部分組件失效時，不會影響到整個系統(tǒng)。消息隊列降低了進(jìn)程間的耦合度，即使一個處理消息的進(jìn)程掛掉，加入隊列中的消息仍可在系統(tǒng)恢復(fù)后被處理。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的公交GPS 數(shù)據(jù)實時通訊系統(tǒng)實現(xiàn)了公交車輛GPS 運行數(shù)據(jù)的解析、存儲和分發(fā)，為市民提供實時車輛運行信息，引導(dǎo)市民優(yōu)先選擇綠色出行，為企業(yè)調(diào)度運營提供數(shù)據(jù)支持，滿足市民美好出行體驗的需要，不斷提高公交乘客滿意度，獲得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。