一種雙鏈路海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究

王曉瑞，吳永芳，李鵬輝，陳艷云，熊金蓮，張學(xué)靈

（國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

海洋占據(jù)了地球表面積的71%，蘊(yùn)藏著豐富的能源、礦產(chǎn)和生物等資源，對(duì)緩解資源緊缺、保障國(guó)家安全和調(diào)節(jié)全球氣候具有重要作用[1-2]。海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取是開(kāi)發(fā)海洋、利用海洋和保護(hù)海洋的重要依據(jù)[3]。我國(guó)作為海洋大國(guó)，擁有299.7萬(wàn)km2的海洋國(guó)土面積和綿長(zhǎng)的大陸海岸線、島嶼岸線。同時(shí)，我國(guó)也是世界上遭受海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿海地區(qū)海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)日益突出，海洋防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)十分嚴(yán)峻[4]。海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取是海洋預(yù)報(bào)及海洋災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有非常重要的意義[5]。海洋預(yù)報(bào)依賴(lài)于觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)獲取，對(duì)時(shí)效性要求很高。為合理開(kāi)采資源、防災(zāi)減災(zāi)、保障沿海安全，海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、快速傳輸顯得尤為重要。

1 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀

我國(guó)海洋觀測(cè)業(yè)務(wù)工作經(jīng)幾十年的發(fā)展，逐步形成了海洋站、雷達(dá)（分為地波雷達(dá)和X 波雷達(dá)）、浮標(biāo)、志愿船、GNSS 等組成的海洋立體觀測(cè)網(wǎng)，分北、東、南三個(gè)海區(qū)，基本覆蓋了我國(guó)近岸、近海及部分重點(diǎn)關(guān)注海域，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取頻次已達(dá)分鐘級(jí)[6]。其中海洋站數(shù)據(jù)按采集頻率分為分鐘數(shù)據(jù)（每分鐘生成）、整點(diǎn)數(shù)據(jù)（每小時(shí)生成）及正點(diǎn)數(shù)據(jù)（每6 h生成），GNSS數(shù)據(jù)每小時(shí)生成1 個(gè)，其余類(lèi)型數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為20 min~1 h不等。由此看來(lái)，海洋站分鐘數(shù)據(jù)的生成頻率最高，每個(gè)海洋站每天可生成文件1 440個(gè)。

針對(duì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，已建成地面網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)為四層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為國(guó)家、海區(qū)、中心站和海洋站四級(jí)，各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)專(zhuān)線連接。除因地理位置等原因不具備搭建專(zhuān)線鏈路條件的極少數(shù)站點(diǎn)外，地面網(wǎng)覆蓋了幾乎所有站點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)內(nèi)部建有局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為相似（圖1）。

圖1 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)示意圖

基于地面網(wǎng)結(jié)構(gòu)，海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸流程采用“海洋站-中心站-海區(qū)-國(guó)家”自下而上分級(jí)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)體系。由于地面網(wǎng)具有傳輸穩(wěn)定、丟包率小和全雙工等優(yōu)勢(shì)，在海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛應(yīng)用。但地面網(wǎng)故障時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，而海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)用于預(yù)報(bào)減災(zāi)，尤其是處于汛期時(shí)，對(duì)傳輸時(shí)效性有著較高要求。因此，添加合適的備用鏈路，可以保證在地面網(wǎng)故障修復(fù)期間數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷傳輸。

2 現(xiàn)有無(wú)線通信方式

北斗短報(bào)文通信由國(guó)內(nèi)自主研發(fā)，具備安全性高，通信抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，在國(guó)防軍事、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋及陸地邊遠(yuǎn)地區(qū)預(yù)警信息發(fā)布等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用[8]，但是民用通信一次最多僅可傳送120 個(gè)字節(jié)的信息[9]。VSAT 衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且不受距離、復(fù)雜地形限制[10]，但是傳輸延時(shí)較大，費(fèi)用成本高，且受天氣影響嚴(yán)重[11]。微波通信具有容量大、建設(shè)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)[12]，但微波通信主要應(yīng)用在視距內(nèi)通信，且易受類(lèi)光性和極化性限制[13]。4G VPDN 數(shù)據(jù)傳輸速度快，抗干擾性強(qiáng)，并且采用隧道驗(yàn)證、身份驗(yàn)證等嚴(yán)格的認(rèn)證系統(tǒng)和授權(quán)機(jī)制，安全性高[14]，另外，接入方式簡(jiǎn)單、無(wú)須布線施工，成本低[15]，但是對(duì)位于島上等位置偏遠(yuǎn)的站點(diǎn)，4G 基站信號(hào)可能覆蓋不到或信號(hào)不穩(wěn)定。

3 雙鏈路海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

本文開(kāi)展了基于IP 網(wǎng)絡(luò)的雙鏈路海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究，并以地面網(wǎng)和4G VPDN 為例，即以地面網(wǎng)為主鏈路，4G VPDN 無(wú)線通信方式為備份鏈路，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。實(shí)際應(yīng)用中可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和各無(wú)線通信方式的特點(diǎn)，選擇適用的鏈路。例如4G 信號(hào)覆蓋不到或不穩(wěn)定的站點(diǎn)，可選擇VSAT 作為備份鏈路。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于Socket 協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，共包含傳輸業(yè)務(wù)管理、文件發(fā)現(xiàn)、文件發(fā)送與接收和鏈路切換等模塊。

3.1 傳輸業(yè)務(wù)管理模塊

傳輸業(yè)務(wù)管理模塊作為數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的核心部分，起到軟件框架的作用。其中，業(yè)務(wù)流程管理采用消息機(jī)制，管理其他各個(gè)模塊的運(yùn)行事件消息，啟動(dòng)、終止其他模塊功能的運(yùn)行，并為其傳遞消息。任務(wù)模型采用自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，描述如本節(jié)點(diǎn)需要將何種數(shù)據(jù)文件傳輸給哪個(gè)節(jié)點(diǎn)等全部數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)。配置文件管理本地的配置文件，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取本地配置文件形成任務(wù)模型，在接收到調(diào)度指令時(shí)按新的任務(wù)模型更新本地配置文件。

3.2 文件發(fā)現(xiàn)模塊

文件發(fā)現(xiàn)模塊通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)的文件變動(dòng)消息進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本地磁盤(pán)文件的實(shí)時(shí)監(jiān)控。為在高頻次數(shù)據(jù)文件生成的條件下保證不丟失監(jiān)控信息，采用完成端口機(jī)制，將操作系統(tǒng)的消息綁定至完成端口；收到文件變動(dòng)消息后，監(jiān)控該文件的寫(xiě)入完成狀態(tài)，以保證不讀取“臟數(shù)據(jù)”。文件信息提取是對(duì)該消息進(jìn)行解碼，提取變動(dòng)文件的路徑、文件名、變動(dòng)類(lèi)型、變動(dòng)時(shí)間等信息。消息過(guò)濾是將提取到的信息與本地任務(wù)模型進(jìn)行匹配，過(guò)濾出需要進(jìn)行處理的文件，并以消息形式通知傳輸業(yè)務(wù)管理模塊。

3.3 文件發(fā)送與接收模塊

文件發(fā)送與接收設(shè)計(jì)如圖2 所示，模塊采用多線程的Socket 傳輸模式，通過(guò)鏈路管理管理多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送/接收線程。系統(tǒng)啟動(dòng)后，即開(kāi)啟端口監(jiān)聽(tīng)線程，等待其他節(jié)點(diǎn)的接入。為最大化利用硬件資源，同時(shí)避免軟件空轉(zhuǎn)造成的“假死”現(xiàn)象，采用完成端口機(jī)制進(jìn)行線程管理。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)接入時(shí)，鏈路管理將該接入綁定至空閑的數(shù)據(jù)接收線程上，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收；當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，鏈路管理啟動(dòng)空閑的數(shù)據(jù)發(fā)送線程，連接遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。通過(guò)自定義通信協(xié)議，本部分將數(shù)據(jù)文件封裝為特定格式的數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。同時(shí)，該協(xié)議支持將調(diào)度指令按相同格式封裝為數(shù)據(jù)包發(fā)送接收。系統(tǒng)啟動(dòng)后，即創(chuàng)建數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列與數(shù)據(jù)接收隊(duì)列，支持按照數(shù)據(jù)或指令的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行隊(duì)列管理，以實(shí)現(xiàn)有序的文件傳輸。

圖2 文件發(fā)送與接收設(shè)計(jì)

3.4 鏈路切換模塊

發(fā)送端和接收端通過(guò)兩種通信鏈路聯(lián)通，在傳輸系統(tǒng)中設(shè)置傳輸鏈路優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的鏈路優(yōu)先選用，其發(fā)生故障時(shí)，選用優(yōu)先級(jí)低的鏈路。將主鏈路優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1，備用鏈路設(shè)置為2。傳輸系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)ping接收端IP地址，獲取本節(jié)點(diǎn)至上級(jí)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，持續(xù)n1秒ping 不通接收端IP 地址時(shí)，選用備用鏈路，然后計(jì)時(shí)n2秒后切換回主鏈路。n1、n2數(shù)值大小可根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置，其中n1的設(shè)置是為避免網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)造成誤判，故在傳輸系統(tǒng)配置文件中設(shè)置持續(xù)n1秒ping不通時(shí)才判定為主鏈路故障。

切換鏈路通過(guò)調(diào)用路由命令的方式實(shí)現(xiàn)。具體方式如下：如發(fā)送端為雙網(wǎng)卡機(jī)器，主鏈路IP地址為172.16.31.2，網(wǎng)關(guān)為172.16.31.254，掩碼為255.255.255.0，備用鏈路地址為192.168.1.2，網(wǎng)關(guān)為192.168.1.254，掩碼為255.255.255.0，接收端IP 地址為172.17.31.2。傳輸軟件在cmd 窗口中設(shè)置兩條路由命令，分別為命令1：route add 172.17.31.2 mask 255.255.255.0 172.16.31.254 和命令2： route add 172.17.31.2 mask 255.255.255.0 192.168.1.254，調(diào)用對(duì)應(yīng)的路由命令可實(shí)現(xiàn)鏈路的選擇，即選用主鏈路時(shí)調(diào)用命令1，選用備用鏈路時(shí)調(diào)用命令2，鏈路切換示意圖如圖3所示。

圖3 鏈路切換設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前雙鏈路海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已在部分站點(diǎn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。因大部分海洋站地面網(wǎng)已建成，且被4G 基站信號(hào)覆蓋，VPDN 相對(duì)于衛(wèi)星通信資費(fèi)便宜，無(wú)須布線施工，故當(dāng)前兩種鏈路分別采用地面網(wǎng)和4G VPDN。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，海洋站和海區(qū)節(jié)點(diǎn)的終端分別通過(guò)地面網(wǎng)和4G VPDN 兩種方式聯(lián)通，在兩終端分別部署數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，海洋站終端向海區(qū)終端實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

5 總結(jié)與展望

海洋數(shù)據(jù)傳輸對(duì)海洋發(fā)展具有十分重要的意義，本文介紹了目前數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀，研究了一種雙鏈路海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和時(shí)效性，并以地面網(wǎng)和4G VPDN 為例驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸基于IP網(wǎng)絡(luò)通信方式，不局限于地面網(wǎng)和4G VPDN 通信，VSAT 等其他IP 網(wǎng)絡(luò)方式均可適用，因此在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需求和資費(fèi)預(yù)算等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，選擇合適的IP 網(wǎng)絡(luò)通信方式。例如站點(diǎn)不具備專(zhuān)線鋪設(shè)條件，且被4G 信號(hào)覆蓋時(shí)，可選用4G VPDN 和VSAT 兩種線路。本系統(tǒng)不適用于北斗等非IP 網(wǎng)絡(luò)，通信方式的選擇稍顯局限，未來(lái)將進(jìn)一步研究擴(kuò)展北斗等非IP 網(wǎng)絡(luò)方式的適用性。