氣象寬帶網(wǎng)絡自動化天地互備系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉 然，王 濤，何恒宏

(國家氣象信息中心，北京 100081)

0 引 言

中國是氣象災害多發(fā)、頻發(fā)的國家，每年都會不同程度地發(fā)生暴雨洪澇、臺風、冰雹、雷電等災害性天氣[1]。

為此，中國氣象局在國家級至31個省級氣象部門間建設了高速地面氣象網(wǎng)絡，開展災害性天氣的預報、預警和防災減災工作，所以確保國省氣象網(wǎng)絡的全天候可靠運行對氣象部門的業(yè)務工作意義重大。

1 中國氣象局網(wǎng)絡系統(tǒng)概況

中國氣象局網(wǎng)絡系統(tǒng)CMANet由地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信網(wǎng)共同組成。地面網(wǎng)絡系統(tǒng)也被稱為氣象寬帶網(wǎng)，該網(wǎng)絡建成于2005年，到2011年逐步形成了星狀結構的全國MSTP(Multi-Service Transport Platform，多業(yè)務傳送平臺)主干網(wǎng)與網(wǎng)狀結構的MPLS VPN(Multi-Protocol Label Switching Virtual Private Network，多協(xié)議標簽交換虛擬專用網(wǎng))主干網(wǎng)雙線路互備的格局。國家級和31個省作為網(wǎng)絡中的核心節(jié)點，在省以下由各省自行建設作為CMANet的延伸。氣象寬帶網(wǎng)的組成結構如圖1所示[2-3]。

MSTP線路采用星狀網(wǎng)絡結構，主要承擔國省視頻會議等業(yè)務，國省間帶寬為12 Mbps。MPLS VPN是網(wǎng)狀結構網(wǎng)絡，其作為國省數(shù)據(jù)傳輸主要線路，在建成后經(jīng)歷了多次升速，至2019年區(qū)域中心接入帶寬達到800 Mbps，普通省帶寬400 Mbps。為提升氣象寬帶網(wǎng)的可靠性，MSTP與MPLS VPN線路之間具備互備的能力[4-5]。

中國氣象局的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡發(fā)展的更早，起始于1999年建成的9210工程衛(wèi)星通信網(wǎng)開展國省通信[6]。它在北京建設了1個國家級衛(wèi)星主站和31個省級衛(wèi)星雙向站。隨著氣象寬帶網(wǎng)的建成，衛(wèi)星通信網(wǎng)不再承擔國省數(shù)據(jù)傳輸任務，省級雙向站全部關停，僅保留了國家級衛(wèi)星主站。2008年前后，在國內(nèi)衛(wèi)星應急通信業(yè)務發(fā)展的背景下，衛(wèi)星通信網(wǎng)經(jīng)過改造開始支撐各省氣象部門衛(wèi)星應急車的通信，并在汶川大地震等災害應急和北京奧運會等重大活動氣象服務工作中大顯身手[7-8]。此后，衛(wèi)星通信網(wǎng)作為支撐國省應急通信的重要線路持續(xù)發(fā)揮著作用，但由于缺少有效的技術手段，衛(wèi)星網(wǎng)的應用場景仍主要集中在應急通信領域，無法為地面線路提供有效的空中備份。

2 氣象寬帶網(wǎng)天地互備系統(tǒng)設計

2.1 業(yè)務需求

“國家突發(fā)事件預警信息發(fā)布系統(tǒng)”(簡稱“國突系統(tǒng)”)是《“十一五”期間國家突發(fā)公共事件應急體系建設規(guī)劃》提出的十個重點建設項目之一，是國務院應急平臺唯一的突發(fā)事件預警信息權威發(fā)布系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2015年5月1日正式上線運行，需要在國省之間傳輸來自中國氣象局及多個國家級部委辦局的預警信息，這對氣象部門國省網(wǎng)絡線路可靠性無疑提出了更高的要求[9-10]。為此，中國氣象局需要建立一套氣象寬帶網(wǎng)天地互備系統(tǒng)，將地面網(wǎng)絡與衛(wèi)星通信網(wǎng)進行有機整合，發(fā)揮衛(wèi)星通信手段的獨有優(yōu)勢，使其既為地面氣象網(wǎng)絡的空中備份，又兼顧省級應急通信車的服務需求[11-14]。

其業(yè)務需求包括：

(1)在國家級至省級地面線路中斷的情況下，特定的業(yè)務(如國突系統(tǒng)、觀測數(shù)據(jù)上傳等)只要有數(shù)據(jù)傳輸，無論其方向是上行或下行，均自動觸發(fā)衛(wèi)星信道建立，并實現(xiàn)衛(wèi)星與地面線路間的自動倒換，無需人工介入。

(2)在地面線路恢復后，業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸自動回切至地面線路，并釋放衛(wèi)星信道資源。

(3)在國省間地面線路正常時，自動選擇地面為最優(yōu)傳輸路徑，并能繼續(xù)支撐省級應急車的衛(wèi)星通信。

2.2 系統(tǒng)構成

根據(jù)CMANet的設計，氣象寬帶網(wǎng)已采用了MSTP和MPLS VPN雙線路互備方設計。因此天地互備系統(tǒng)的主要建設內(nèi)容是其衛(wèi)星通信部分及天地鏈路自動化調(diào)度能力，并實現(xiàn)衛(wèi)星通信網(wǎng)與氣象寬帶網(wǎng)的融合，使衛(wèi)星網(wǎng)可自主備份地面網(wǎng)絡。其系統(tǒng)整體結構如圖2所示。

2.2.1 衛(wèi)星通信部分構成

衛(wèi)星通信部分包括1個國家級衛(wèi)星主站和31個省級小站。其中主站位于北京國家氣象信息中心，包括網(wǎng)管分系統(tǒng)、Modem(調(diào)制解調(diào)器)分系統(tǒng)和射頻分系統(tǒng)和網(wǎng)絡分系統(tǒng)，其組成如圖3所示。

網(wǎng)管分系統(tǒng)主要包括網(wǎng)管平臺及鏈路預訂平臺，實現(xiàn)基于服務類型識別的衛(wèi)星鏈路調(diào)度和管理。Modem分系統(tǒng)則主要完成衛(wèi)星信道的控制、調(diào)制、解調(diào)等功能。其中Modem采用Comtech EFDATA的CDM570L設備，共配置6臺，其中2臺用于1∶1熱備份的出向信令發(fā)射，剩余4臺用于點對點通信，最大可同時與4個省建立點對點衛(wèi)星信道。

射頻分系統(tǒng)復用原有9210工程衛(wèi)星主站的天線、功放等射頻設備，同時根據(jù)9210衛(wèi)星主站所使用的70 MHz中頻信號，采用上下變頻器設備實現(xiàn)中頻信號的頻率變換。網(wǎng)絡分系統(tǒng)則包括一臺路由器和IP協(xié)議加速器，實現(xiàn)衛(wèi)星鏈路數(shù)據(jù)的路由選擇，并提高在衛(wèi)星鏈路這種高延遲信道中的TCP傳輸效率。

省級小站則包括一套2.4米雙向天線及功放、LNB設備，也配備一臺Modem與主站進行信令交互及點對點通信并連接到省局CMANet核心路由器。小站組成結構如圖4所示。

2.2.2 網(wǎng)絡部分構成

網(wǎng)絡部分包含多個路由器及統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址空間。如圖5所示，全網(wǎng)包括國家級CMANet核心路由器(Router1)、衛(wèi)星主站路由器(Router2)、各省級核心路由器(Router3)等多個路由設備。在配置靜態(tài)路由的同時，Router1、Router2和Router3之間通過IBGP(Interior Border Gateway Protocol，內(nèi)部邊界網(wǎng)關協(xié)議)相互宣告和學習各自路由。同時，衛(wèi)星主站和省級站Modem也具備路由能力，除靜態(tài)路由，天地互備系統(tǒng)也可以對衛(wèi)星主站Modem動態(tài)寫入路由，并可通過RIP(路由信息協(xié)議)向全網(wǎng)宣告，以便實現(xiàn)全網(wǎng)鏈路的自動選路。

衛(wèi)星主站和省級雙向站分別接入國家級和省級CMANet，并分配128個C類地址空間用于衛(wèi)星通信網(wǎng)，與CMANet地面網(wǎng)絡構成一張大網(wǎng)。原有氣象部門應急通信車也調(diào)整到此地址空間中。其中衛(wèi)星通信主站使用一個C類地址空間，剩余127個C類地址空間用于省級衛(wèi)星通信站網(wǎng)段，并按各省臺站數(shù)量，每省分配1～4個C類地址空間。在省級地址空間中，每個省級預留4個IP地址用于衛(wèi)星雙向固定站，8個地址用于省級衛(wèi)星應急車，同時為地市級應急車也預留了足夠數(shù)量IP地址。

2.3 關鍵技術

2.3.1 基于服務類型識別的衛(wèi)星信道自動建立和釋放

天地互備系統(tǒng)通過對IP數(shù)據(jù)包中的TOS(Terms of Service，服務類型)標簽進行識別，進而自動觸發(fā)衛(wèi)星信道鏈路。TOS標簽是IP數(shù)據(jù)包中一個8 bit的字段，國家級和省級核心路由器會對國省間特定業(yè)務系統(tǒng)發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包中的TOS標簽賦值。省級Modem具有檢測轉(zhuǎn)發(fā)給它的數(shù)據(jù)包中TOS標簽的能力，并被設定為當出現(xiàn)特定TOS標簽時就自動向主站發(fā)出衛(wèi)星鏈路建鏈請求。

在國省衛(wèi)星鏈路未建鏈時，國家級衛(wèi)星主站與省級雙向站之間會始終保持一條低速率的雙向信令通道。主站出向信令采用TDM(Time-Division Multiplexing，時分復用)方式，帶寬為256 kbps。其接收頻點作為默認參數(shù)初始化到各省級站的Modem設備中，只要開機即可接收。同時，省級站設備也內(nèi)置了主站入向信令通道頻點，信道帶寬128 kbps，全網(wǎng)小站通過STDMA自組織時分多址方式依次向主站回傳信令[15-16]。因此，省級Modem的建鏈請求會通過這條雙向信令通道發(fā)送到主站。

收到請求后，主站就會自動分配一臺業(yè)務Modem用于與省級建立點對點衛(wèi)星信道，并按服務類型分配信道帶寬，計算通信頻點。這些參數(shù)會通過信令通道下發(fā)給發(fā)起請求的省級Modem。省級Modem收到參數(shù)后，自動調(diào)整通信參數(shù)以便建立點對點信道。信道建立后，該省級站與主站間的雙向信令也遷移到新的信道中，而其余未觸發(fā)衛(wèi)星信道的省級Modem則繼續(xù)維持原有信令通道。此時主站與省級站通信方式如圖6所示。

當?shù)孛婢€路恢復后，帶有TOS標簽的數(shù)據(jù)包不再轉(zhuǎn)發(fā)到省級Modem。Modem在超過一定時間未檢測到帶有TOS標簽數(shù)據(jù)后，就將向主站發(fā)出鏈路拆除請求，并釋放衛(wèi)星鏈路。此后該小站與主站間的雙向信令也將恢復至原有信令通道。

2.3.2 地面與衛(wèi)星線路間的自動化倒換

天地互備系統(tǒng)通過對地面線路通斷進行判斷來動態(tài)調(diào)整全網(wǎng)路由表，從而實現(xiàn)地面與衛(wèi)星線路間的自動倒換與回切[17]。其中路由表的動態(tài)調(diào)整基于動態(tài)路由協(xié)議來實現(xiàn)。以國家級核心路由器為例，在國省地面線路正常時，它與各省核心路由器建立IBGP鄰居關系，并學習到達省級的地面線路路由。當某個省地面線路異常時，IBGP鄰居關系消失，國家級核心路由器無法學習到達該省的地面線路路由，此時全網(wǎng)路由表就會動態(tài)發(fā)生變化[18-21]。

但為了實現(xiàn)衛(wèi)星線路的自動倒換，在動態(tài)路由之外還需要在路由器上設置靜態(tài)路由。路由尋址遵循的是掩碼最長原則，即當路由器上存在去往某一個地址的多條路由時，路由器會優(yōu)先選擇掩碼最長的那條路由。掩碼越長，其描述的目的IP地址范圍就越小，匹配就越精細。因此可以將衛(wèi)星線路路由設置為掩碼較短的靜態(tài)路由，與掩碼較長的動態(tài)路由配合實現(xiàn)衛(wèi)星對地面線路的自動備份。各應用場景的具體切換過程將在后文進行更詳細的論述。

3 不同應用場景下的線路切換過程分析

3.1 國省地面線路中斷時地面與衛(wèi)星線路切換過程

圖7所示為A省至國家級的地面線路中斷后國省間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路切換過程。

?階段1：IBGP路由變化。

此時國家與A省核心路由器之間的IBGP鄰居關系消失，Router1、Router2和Router3上的部分BGP動態(tài)路由失效(圖7中用刪除線標記)。

?階段2：數(shù)據(jù)包發(fā)送。

當國家級業(yè)務系統(tǒng)主動向A省發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包首先到達Router1。其路由表已沒有通過地面線路到達A省的路由，數(shù)據(jù)包將轉(zhuǎn)發(fā)到Router2。根據(jù)Router2的靜態(tài)路由，數(shù)據(jù)包會通過主站的信令Modem經(jīng)信令通道到達A省，并被A省Router3轉(zhuǎn)發(fā)給省級業(yè)務系統(tǒng)。

?階段3：觸發(fā)衛(wèi)星鏈路自動建立。

省級業(yè)務系統(tǒng)生成的應答數(shù)據(jù)包，在到達Router3后首先被插入特定的TOS標簽。之后由于Router3缺少了通往國家級地面線路的IBGP路由，數(shù)據(jù)包將只能由本省Modem發(fā)往國家級。如2.3.1節(jié)所述內(nèi)容，此時帶有TOS標簽的數(shù)據(jù)包將觸發(fā)A省Modem與主站一臺業(yè)務Modem(圖7中為主站業(yè)務Modem-2)建立雙向衛(wèi)星鏈路。

?階段4：衛(wèi)星鏈路路由自動添加。

A省數(shù)據(jù)包經(jīng)衛(wèi)星鏈路到達主站業(yè)務Modem后，經(jīng)過Router2和Router1的轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達國家級業(yè)務系統(tǒng)。同時，主站業(yè)務Modem會自動添加到達A省的精細路由，并通過RIP協(xié)議向Router2進行宣告(如圖7中Rip動態(tài)路由所示)，以保證此后國家級發(fā)往A省的數(shù)據(jù)包可沿以上線路原路返回。

至此國省之間基于衛(wèi)星鏈路的雙向通信就自動建立了，其路由如圖7中虛線所示。上述過程為地面線路中斷后國家級主動向A省發(fā)送數(shù)據(jù)，同理當A省有數(shù)據(jù)主動發(fā)給國家級時，衛(wèi)星鏈路自動觸發(fā)過程類似，只是跳過階段2的內(nèi)容。

3.2 國省地面線路正常時省級應急車通信過程

除用于地面線路的空中備份，在線路正常情況下，該系統(tǒng)也能支撐省級應急車的通信。由于地面線路正常，此時Router1、Router2和Router3上的IBGP路由均有效。當A省應急車外出執(zhí)行保障任務時，只需在車內(nèi)應用主機上持續(xù)發(fā)出帶有特定TOS值的IP包(例如使用ping -v命令)，就可觸發(fā)車內(nèi)Modem與主站一臺業(yè)務Modem(圖8中為主站業(yè)務Modem-2)建立雙向衛(wèi)星鏈路。

應急車發(fā)出的數(shù)據(jù)包經(jīng)衛(wèi)星鏈路到達主站業(yè)務Modem后，根據(jù)路由最終會通過地面線路轉(zhuǎn)發(fā)到本省核心路由器Router3，并到達要訪問的省級業(yè)務系統(tǒng)。同時，主站業(yè)務Modem會自動添加到達A省應急車的精細路由，并通過RIP協(xié)議向Router2進行宣告(如圖8Rip動態(tài)路由所示)，以保證此后A省業(yè)務系統(tǒng)發(fā)往A省應急車的數(shù)據(jù)包可沿以上線路原路返回。此時路由如下圖中虛線所示。

4 應用情況

中國氣象局地面氣象寬帶網(wǎng)絡自動化天地互備系統(tǒng)解決了國省地面線路自動備份的需要，也同時提升對各省應急車的統(tǒng)一管控能力，在氣象部門的業(yè)務工作中發(fā)揮了重要作用。當國省氣象寬帶網(wǎng)兩條線路因地震、道路塌方、施工等突發(fā)情況均發(fā)生中斷時，過去省級氣象部門往往只能手工嘗試借助互聯(lián)網(wǎng)線路進行數(shù)據(jù)傳輸。但該方案需要進行大量手工配置調(diào)整，切換時間長，在連通性及安全性方面也存在很大問題。天地互備系統(tǒng)則可以自動感知地面線路狀態(tài)的異常，當有業(yè)務數(shù)據(jù)發(fā)送時立即自動觸發(fā)衛(wèi)星鏈路建立，在切換的及時性和自動化程度方面有顯著提高，且衛(wèi)星鏈路無論在線路質(zhì)量和安全性方面也都更有保障。

筆者作為全國氣象部門通信及網(wǎng)絡業(yè)務的維護人員，在實際工作中經(jīng)歷了多次省級地面線路故障的處理過程。經(jīng)過在實際業(yè)務環(huán)境中的檢驗，當?shù)孛婢€路中斷后，衛(wèi)星線路可在1分鐘內(nèi)完成自動建立并保證雙向數(shù)據(jù)通信。其不足之處在于，由于衛(wèi)星線路自身特性，ICMP響應延遲將由地面線路情況下的小于1 ms增加到約550 ms。這會使國家突發(fā)事件預警信息發(fā)布系統(tǒng)國省間數(shù)據(jù)傳輸增加約5秒的延遲，但仍在業(yè)務可接受范圍之內(nèi)[22]。表1為傳統(tǒng)國省線路備份方式與采用天地互備系統(tǒng)的對比分析。

表1 不同備份方式技術特點對比分析

同時，各省應急車也可以利用該系統(tǒng)接入中國氣象局衛(wèi)星通信網(wǎng)。以前省級應急車使用之前，隨車技術人員需要與衛(wèi)星主站技術人員電話溝通，并手工分配和設置車內(nèi)衛(wèi)星Modem的工作頻率，工作效率較低。在該系統(tǒng)建設完成后，車內(nèi)人員只需在車內(nèi)電腦執(zhí)行“ping -t -v TOS值 目標地址”命令，即可自動觸發(fā)衛(wèi)星線路建立，車內(nèi)衛(wèi)星Modem將自動獲取點對點衛(wèi)星信道的頻率等參數(shù)，大大提升了工作效率，也避免了人為分配可能造成的參數(shù)錯誤問題。

利用天地互備系統(tǒng)對服務類型的識別能力，將其與信道帶寬進行匹配，還可以做到針對不同業(yè)務系統(tǒng)的個性化鏈路備份。舉例來說，國省間“國突”平臺和氣象通信系統(tǒng)對通信帶寬的需求不同，在省級核心路由器上可對這兩個業(yè)務的IP數(shù)據(jù)包設置不同的TOS標簽值。當某一個業(yè)務發(fā)出的數(shù)據(jù)包觸發(fā)衛(wèi)星鏈路時，天地互備系統(tǒng)會根據(jù)為該服務類型設定的保障帶寬分配衛(wèi)星信道，如果同時有多個業(yè)務的數(shù)據(jù)包存在，衛(wèi)星信道帶寬會自動疊加。這樣就可以做到按需分配衛(wèi)星信道資源，業(yè)務空閑時資源自動釋放，避免資源浪費。

5 結束語

鑒于氣象部門國省網(wǎng)絡的重要性，建立天地互備的線路多重保障機制是十分必要的。本系統(tǒng)的建立，解決了線路切換自動化的難點，顯著提升了線路備份的及時性和有效性。同時，通過對全網(wǎng)路由方案的巧妙設計，使其適應多種不同的應用場景，對氣象部門省級應急車的通信保障業(yè)務也進行了有力支撐。其所采用的系統(tǒng)架構及關鍵技術對相關行業(yè)也具有較好的借鑒和參考價值。