VPN技術(shù)在吉林九臺非天然地震監(jiān)測中的應(yīng)用

李晴晴，呂 晗，鄭國棟，陳 闖

（吉林省地震局，吉林 長春 130117）

0 引言

地震應(yīng)急流動監(jiān)測是指地震事件發(fā)生后，迅速在現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測儀器并進(jìn)行監(jiān)測、以獲取該事件的完整序列及更為豐富的地震波形資料為目的的短期臨時性監(jiān)測工作。應(yīng)急流動監(jiān)測為彌補震中區(qū)無固定臺或周圍固定臺無法有效監(jiān)控的空白，對震中區(qū)發(fā)生的后續(xù)地震、特別是微震進(jìn)行有效快速的監(jiān)測，為地震發(fā)展趨勢判斷和地震發(fā)震機(jī)理研究提供豐富基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也在一定程度上起到安撫民心、穩(wěn)定社會的作用[1-2]。

2019年6月9日19時48分，吉林省長春市九臺區(qū)龍嘉堡礦業(yè)有限公司發(fā)生M2.3地震（礦震，屬于非天然地震的一種類別），事故造成井下當(dāng)班作業(yè)人員9人遇難、10人受傷。事故發(fā)生后，我局在該礦區(qū)區(qū)域快速布設(shè)了10套流動地震監(jiān)測設(shè)備。

截至2020年10月19日，九臺礦區(qū)非天然地震流動監(jiān)測系統(tǒng)記錄了我省境內(nèi)天然地震85個，非天然地震168個。對非天然地震事件進(jìn)行監(jiān)測、分析與研究，一方面是為了更加準(zhǔn)確地識別地震事件，提高地震速報能力，為政府應(yīng)急救援提供決策依據(jù)；另一方面，也可以利用非天然地震資料反演地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而為區(qū)域構(gòu)造研究和地震工程探查提供資料[3]。

1 吉林省地震應(yīng)急流動監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

吉林省地震局高度重視地震現(xiàn)場應(yīng)急流動監(jiān)測工作，注重發(fā)展新的地震現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)來提升地震現(xiàn)場監(jiān)測和組網(wǎng)能力。在“十五項目”由模擬監(jiān)測向全數(shù)字化監(jiān)測轉(zhuǎn)型升級的同時，還組建了應(yīng)急流動監(jiān)測組，發(fā)展并利用移動互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)組成無線流動監(jiān)測臺網(wǎng)，并成功地應(yīng)用到多個破壞性天然地震和非天然地震事件的監(jiān)測中。

近年來，吉林省地震局應(yīng)急流動測震監(jiān)測組先后完成了2013年松原M5.8震群、2017年松原寧江M4.9地震、2018年松原寧江M5.7地震及2019年松原寧江M5.1地震的現(xiàn)場監(jiān)測，共記錄到ML4.0以上地震33次。多次組織和參加了“東三省片區(qū)地震應(yīng)急演練”，2015年獲得“全國流動測震應(yīng)急演練”第1名。

2 九臺非天然地震流動監(jiān)測臺網(wǎng)及設(shè)備簡介

2.1 九臺非天然地震流動監(jiān)測臺網(wǎng)

為更好的監(jiān)測長春周邊地區(qū)，特別是九臺礦區(qū)范圍內(nèi)的非天然地震事件，吉林省地震局流動監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)組經(jīng)過對礦震震中位置實地考察、科學(xué)分析和對多方意見綜合篩選，確定在距2019年6月9日2.3級礦震震中6km范圍內(nèi)布設(shè)流動監(jiān)測設(shè)備。

九臺非天然地震流動監(jiān)測臺網(wǎng)于2019年7月完成勘選工作，整個流動監(jiān)測臺網(wǎng)10個測點于同年8月底完成布設(shè)并投入使用，監(jiān)測網(wǎng)點分布如圖1所示。

圖1 九臺礦區(qū)非天然地震流動監(jiān)測臺網(wǎng)測點分布圖Fig.1 Distribution of non-natural earthquake mobile network in Jiutai mining area

為減少外界環(huán)境溫度及生產(chǎn)活動對監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，地震監(jiān)測的核心設(shè)備——地震計采取地埋或者放置于農(nóng)戶家地窖內(nèi)，并放置于以水泥澆筑的簡易擺墩上，電源及通訊設(shè)備放置在室內(nèi)。每個流動監(jiān)測站由監(jiān)測設(shè)備（包括地震計和數(shù)采）、無線通信設(shè)備和供電設(shè)備組成。流動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備及無線通訊示意圖如圖2所示。

圖2 流動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備及無線通訊示意圖Fig.2 Schematic diagram of mobile observing system and wireless communication

2.2 監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)簡介

九臺非天然地震流動監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)由流動監(jiān)測站、數(shù)據(jù)傳輸信道、省級臺網(wǎng)中心等組成。

2.2.1 流動監(jiān)測站

流動監(jiān)測站包含監(jiān)測設(shè)備、供電設(shè)備和通信設(shè)備等。監(jiān)測設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集器和地震計，數(shù)據(jù)采集器為北京港震公司生產(chǎn)的EDAS-24GN、FSS-3M兩種地震數(shù)據(jù)采集器。地震計采用港震的GL-CS60三分向小型寬頻帶地震計、GL-PS2短周期數(shù)字地震計和英國GURALP公司生產(chǎn)的CMG-40TDE便攜式一體化寬頻帶數(shù)字地震計。

供電設(shè)備由RH-C150型智能電源和蓄電池組成，由北京遠(yuǎn)航信通科技有限責(zé)任公司研制生產(chǎn)。系統(tǒng)連接完成并通電后，RH-C150型智能電源將220V的交流市電進(jìn)行降壓、整流、濾波后輸出為監(jiān)測儀器可以使用的穩(wěn)定的12V直流電，并對蓄電池充電。當(dāng)智能電源系統(tǒng)檢測到電源工作電壓低于設(shè)定的電壓值后，RHC150型智能電源自動切換到蓄電池供電[3]。

通訊設(shè)備采用華訊威達(dá)公司生產(chǎn)的WR-4GN 4G VPN路由器。此路由器支持L2TP、IPsec及GRE等幾種VPN工作模式，支持QOS及SNMP網(wǎng)管功能。圖形界面配置、性能穩(wěn)定、安全性高，支持無線WiFi，最高無線速率達(dá)到300M，工作溫度在-25～65℃，適合在東北冬季室外和野外使用[3]。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸信道

流動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)傳輸方式為VPN方式，VPN是一種虛擬專用網(wǎng)技術(shù)，通過在互聯(lián)網(wǎng)上建立流動監(jiān)測站到省級臺網(wǎng)中心的私有鏈路，從而將流動監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚到省級臺網(wǎng)中心。

2.2.3 省級臺網(wǎng)中心

省級臺網(wǎng)中心作為流動監(jiān)測臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)匯聚10個流動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。省級臺網(wǎng)中心VPN設(shè)備采用了銳捷的RG-RSR20-14E模塊化VPN路由器，路由器有2個WAN口、24個LAN口，內(nèi)置防火墻，支持QOS、SNMP和VPN功能，支持圖形化Web管理，傳輸速率為10/100/1000Mbps，電源電壓為AC 100～240V，工作頻率為50～60Hz，工作溫度為0～50℃，適合在室內(nèi)機(jī)房使用。

省級臺網(wǎng)中心路由器搭建好VPN服務(wù)后同10個流動監(jiān)測站的4G路由器建立起行業(yè)網(wǎng)VPN隧道，流動監(jiān)測數(shù)據(jù)在4G路由和銳捷VPN路由器建立起的行業(yè)網(wǎng)VPN隧道中傳輸，最終經(jīng)臺網(wǎng)中心核心交換機(jī)傳遞至測震數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行分析處理。

3 VPN技術(shù)及其在吉林九臺礦區(qū)非天然地震監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 VPN技術(shù)簡介

VPN的英文全稱是“Virtual Private Network”，翻譯為“虛擬專用網(wǎng)”。顧名思義，VPN并不是真正的物理鏈路，它是指依靠運營商網(wǎng)絡(luò)和其他NSP（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商）在公共網(wǎng)絡(luò)中建立加密的私有鏈路（加密遠(yuǎn)程鏈接）。形象地說，用戶使用VPN后，可以在公共網(wǎng)絡(luò)上運行私有流量，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)運行和維護(hù)成本。由于它是加密通道，因此數(shù)據(jù)傳輸將非常安全和保密，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。

3.2 VPN的工作機(jī)制

在VPN鏈路中，任何兩個節(jié)點之間的通信都沒有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)專線所需的端到端物理鏈路，而是由某個運營商網(wǎng)絡(luò)的資源動態(tài)組成。也可以說，VPN使用IP機(jī)制，通過私有隧道技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上模擬數(shù)據(jù)專線和點對點專線技術(shù)。所謂虛擬，是指用戶不再需要擁有實際的數(shù)據(jù)專線，而是將數(shù)據(jù)專線作為一種媒介，在專線中虛擬出一個私有信道。所謂專用網(wǎng)絡(luò)，是指用戶可以制造出最能滿足其特定需求的網(wǎng)絡(luò)。

3.3 VPN的分類

目前，主流的VPN技術(shù)包括SSL VPN、IPSec VPN和L2TP VPN。

IPSec VPN技術(shù)是一種基于三層網(wǎng)絡(luò)的VPN技術(shù)。它為用戶提供了高質(zhì)量、基于密碼的安全認(rèn)證技術(shù)，具有很強的安全性和隱私性。在地震系統(tǒng)中，它主要用于GNSS，重力和其他機(jī)密數(shù)據(jù)傳輸[7]。

SSL VPN技術(shù)廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和用戶瀏覽器之間的隧道傳輸技術(shù)。SSL協(xié)議在應(yīng)用層協(xié)議通信之前完成加密，密鑰協(xié)商和服務(wù)器身份驗證。它是最安全的隧道技術(shù)之一，也是遠(yuǎn)程辦公最常見的VPN形式。SSL VPN既可以通過Web瀏覽器訪問，也可以通過客戶端訪問，非常方便。而且，SSL VPN可以繞過防火墻和代理服務(wù)器來訪問內(nèi)部資源，這對于基于IPSec安全協(xié)議的遠(yuǎn)程訪問是困難的或不可能的。

L2TP VPN是一種VPDN虛擬專用撥號網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它利用互聯(lián)網(wǎng)撥號功能接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)，從而為小型企業(yè)、移動辦公等提供接入服務(wù)。L2TP VPN的優(yōu)點是L2TP協(xié)議本身基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)層2協(xié)議，部署方式靈活簡單。

移動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸主要是實現(xiàn)移動監(jiān)控站與省級網(wǎng)絡(luò)中心之間的實時數(shù)據(jù)傳輸。由于移動監(jiān)控環(huán)境的不確定性，采用4G無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了基于VPN隧道的數(shù)據(jù)傳輸。整個移動監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫切切屯負(fù)?，每個監(jiān)控站的4G路由器和省局的銳捷VPN只與靜態(tài)路由協(xié)議通信。整個移動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置分為兩部分，一部分是省局的銳捷VPN路由器配置，另一部分是9個監(jiān)控站的無線路由器配置。

3.4 VPN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的不同，VPN可以分為兩類，即：遠(yuǎn)程訪問虛擬專用網(wǎng)（access VPN/也稱為VPDN）和企業(yè)內(nèi)部虛擬專用網(wǎng)（Intranet VPN）。VPDN主要用于個人在不同地方訪問單位內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)的問題，所以這里就不過多介紹了。下面重點介紹內(nèi)部虛擬專用網(wǎng)。

內(nèi)網(wǎng)VPN是由不同地域分布的大中型企事業(yè)單位建立的網(wǎng)絡(luò)。通過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)隧道，單位內(nèi)各機(jī)構(gòu)可以很好地共享數(shù)據(jù)。通過互聯(lián)網(wǎng)，可以建立虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，在總部分布在不同地理位置的分支機(jī)構(gòu)。此應(yīng)用本質(zhì)上是通過公共網(wǎng)絡(luò)在路由器之間建立VPN連接，以傳輸用戶的專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)[7]。

3.5 省級臺網(wǎng)中心VPN路由器主要配置

考慮到移動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的特殊性，應(yīng)急移動監(jiān)控團(tuán)隊采用L2TP VPN技術(shù)組成移動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在省網(wǎng)中心機(jī)房部署了一款銳捷RG-RS20-14E&F系列VPN路由器，作為移動網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端。通過在10個監(jiān)測站的4G路由器和銳捷VPN路由器之間構(gòu)建L2TP VPN隧道，將10個監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時返回到省級網(wǎng)絡(luò)中心的地震數(shù)據(jù)流服務(wù)器。VPN路由器配置如表1所示。

表1 VPN路由器配置信息

3.6 九臺監(jiān)測站4G路由器配置

應(yīng)急流動監(jiān)測組在10個監(jiān)測站各部署1臺華訊威達(dá)工業(yè)級4G路由器，通過4G網(wǎng)絡(luò)同省局的VPN路由器建立L2TP VPN隧道，并接入到省局的地震行業(yè)專網(wǎng)。筆者以羊草村測點4G路由器為例，配置信息如表2所示。

表2 羊草村測點4G路由器配置信息

4G路由配置包括當(dāng)前測點路由的子網(wǎng)信息、VPN協(xié)議以及省局銳捷VPN服務(wù)器的口令等。在配置完以上信息后，4G路由通過互聯(lián)網(wǎng)連接至省局銳捷VPN服務(wù)器并核對隧道口令以及子網(wǎng)信息，雙方建立起行業(yè)網(wǎng)VPN隧道并建立起監(jiān)測站和省級中心兩端的通信。

4 應(yīng)用測試

4.1 服務(wù)端測試

配置生效之后，省局端的銳捷路由器靜態(tài)路由表中的羊草村4G路由的路由信息狀態(tài)將顯示為“激活”。這說明VPN通道已經(jīng)建立成功，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試。

在VPN路由器命令行中使用show ip int bri命令可以查看到客戶端已經(jīng)撥入服務(wù)器，協(xié)議和狀態(tài)都為UP。

4.2 客戶端測試

如果L2TP VPN隧道建立成功，則測點4G路由的Web界面VPNL2TP信息上將顯示相關(guān)的VPN隧道連接信息，接收和發(fā)送端都有數(shù)據(jù)包，說明連接已經(jīng)建立成功。監(jiān)測站4G路由器隧道信息如圖3所示。

圖3 監(jiān)測站4G路由器隧道信息示意圖Fig.3 Schematic diagram of tunnel information of 4G router

4.3 數(shù)據(jù)接收測試

在省局的行業(yè)網(wǎng)環(huán)境下，打開EDAS-GNSMS數(shù)據(jù)采集軟件，輸入羊草村監(jiān)測站的數(shù)采信息，可以監(jiān)測到羊草村監(jiān)測站地震計接收的實時連續(xù)波形。經(jīng)過以上三個環(huán)節(jié)的測試，說明流動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)已經(jīng)成功穿越互聯(lián)網(wǎng)VPN隧道，傳輸?shù)搅耸【值臄?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。

圖4 流動地震監(jiān)測站數(shù)據(jù)接收波形圖Fig.4 Data reception waveform of flow seismic monitoring point

5 結(jié)論與建議

（1）利用L2TP VPN技術(shù)將流動監(jiān)測數(shù)據(jù)通過運營商的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降卣鹦袠I(yè)網(wǎng)，是目前流動地震監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞?，其?yōu)勢在實際地震監(jiān)測和片區(qū)演練中得到了明顯的體現(xiàn)。

（2）L2TP VPN技術(shù)中的隧道技術(shù)、身份驗證和數(shù)據(jù)封裝等技術(shù)用于流動監(jiān)測組網(wǎng)操作簡單、部署快速靈活、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠[4]。相比傳統(tǒng)的光纖信道鋪設(shè)方式，部署更加快速、成本更低廉，能應(yīng)對更為復(fù)雜地理條件下的快速布臺監(jiān)測工作。對于解決流動地震監(jiān)測中數(shù)據(jù)實時傳輸和儀器遠(yuǎn)程維護(hù)等有一定借鑒意義。

（3）在架設(shè)流動測震臺的同時，多架設(shè)流動強震臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)的觀測記錄，自動完成烈度計算和速報，可為全省范圍內(nèi)實現(xiàn)地震烈度速報打下基礎(chǔ)[6]。

（4）流動監(jiān)測的作用不但包括了獲取余震監(jiān)測資料、提高能力、提高定位精度獲取地震烈度等，還包括在地震現(xiàn)場安撫民心、穩(wěn)定社會的責(zé)任[6]。