王曉瑞，吳永芳，李鵬輝，陳艷云，熊金蓮，張學靈

（國家海洋信息中心，天津 300171）

海洋占據(jù)了地球表面積的71%，蘊藏著豐富的能源、礦產(chǎn)和生物等資源，對緩解資源緊缺、保障國家安全和調(diào)節(jié)全球氣候具有重要作用[1-2]。海洋觀測數(shù)據(jù)的獲取是開發(fā)海洋、利用海洋和保護海洋的重要依據(jù)[3]。我國作為海洋大國，擁有299.7萬km2的海洋國土面積和綿長的大陸海岸線、島嶼岸線。同時，我國也是世界上遭受海洋災(zāi)害最嚴重的國家之一。隨著海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，沿海地區(qū)海洋災(zāi)害風險日益突出，海洋防災(zāi)減災(zāi)形勢十分嚴峻[4]。海洋觀測數(shù)據(jù)的獲取是海洋預(yù)報及海洋災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)，對防災(zāi)減災(zāi)具有非常重要的意義[5]。海洋預(yù)報依賴于觀測數(shù)據(jù)的實時、連續(xù)獲取，對時效性要求很高。為合理開采資源、防災(zāi)減災(zāi)、保障沿海安全，海洋觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、快速傳輸顯得尤為重要。

1 海洋觀測數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀

我國海洋觀測業(yè)務(wù)工作經(jīng)幾十年的發(fā)展，逐步形成了海洋站、雷達（分為地波雷達和X 波雷達）、浮標、志愿船、GNSS 等組成的海洋立體觀測網(wǎng)，分北、東、南三個海區(qū)，基本覆蓋了我國近岸、近海及部分重點關(guān)注海域，實時數(shù)據(jù)獲取頻次已達分鐘級[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）、整點數(shù)據(jù)（每小時生成）及正點數(shù)據(jù)（每6 h生成），GNSS數(shù)據(jù)每小時生成1 個，其余類型數(shù)據(jù)采集時間間隔為20 min~1 h不等。由此看來，海洋站分鐘數(shù)據(jù)的生成頻率最高，每個海洋站每天可生成文件1 440個。

針對海洋觀測數(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)點分為國家、海區(qū)、中心站和海洋站四級，各節(jié)點間通過專線連接。除因地理位置等原因不具備搭建專線鏈路條件的極少數(shù)站點外，地面網(wǎng)覆蓋了幾乎所有站點。各節(jié)點內(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)點內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)示意圖

基于地面網(wǎng)結(jié)構(gòu)，海洋觀測數(shù)據(jù)傳輸流程采用“海洋站-中心站-海區(qū)-國家”自下而上分級傳輸?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，在海洋觀測數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛應(yīng)用。但地面網(wǎng)故障時，會嚴重影響海洋觀測數(shù)據(jù)傳輸，而海洋觀測數(shù)據(jù)用于預(yù)報減災(zāi)，尤其是處于汛期時，對傳輸時效性有著較高要求。因此，添加合適的備用鏈路，可以保證在地面網(wǎng)故障修復期間數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷傳輸。

2 現(xiàn)有無線通信方式

北斗短報文通信由國內(nèi)自主研發(fā)，具備安全性高，通信抗干擾強等優(yōu)點[7]，在國防軍事、自然災(zāi)害監(jiān)測、海洋及陸地邊遠地區(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、可擴展性強等優(yōu)點，且不受距離、復雜地形限制[10]，但是傳輸延時較大，費用成本高，且受天氣影響嚴重[11]。微波通信具有容量大、建設(shè)周期短、成本低等優(yōu)點[12]，但微波通信主要應(yīng)用在視距內(nèi)通信，且易受類光性和極化性限制[13]。4G VPDN 數(shù)據(jù)傳輸速度快，抗干擾性強，并且采用隧道驗證、身份驗證等嚴格的認證系統(tǒng)和授權(quán)機制，安全性高[14]，另外，接入方式簡單、無須布線施工，成本低[15]，但是對位于島上等位置偏遠的站點，4G 基站信號可能覆蓋不到或信號不穩(wěn)定。

3 雙鏈路海洋觀測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

本文開展了基于IP 網(wǎng)絡(luò)的雙鏈路海洋觀測數(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 無線通信方式為備份鏈路，驗證了系統(tǒng)的可行性。實際應(yīng)用中可對系統(tǒng)進行擴展，根據(jù)應(yīng)用場景和各無線通信方式的特點，選擇適用的鏈路。例如4G 信號覆蓋不到或不穩(wěn)定的站點，可選擇VSAT 作為備份鏈路。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于Socket 協(xié)議進行設(shè)計，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制，管理其他各個模塊的運行事件消息，啟動、終止其他模塊功能的運行，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)點需要將何種數(shù)據(jù)文件傳輸給哪個節(jié)點等全部數(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)啟動時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)模塊通過對操作系統(tǒng)的文件變動消息進行監(jiān)聽，實現(xiàn)對本地磁盤文件的實時監(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，采用完成端口機制，將操作系統(tǒng)的消息綁定至完成端口；收到文件變動消息后，監(jiān)控該文件的寫入完成狀態(tài)，以保證不讀取“臟數(shù)據(jù)”。文件信息提取是對該消息進行解碼，提取變動文件的路徑、文件名、變動類型、變動時間等信息。消息過濾是將提取到的信息與本地任務(wù)模型進行匹配，過濾出需要進行處理的文件，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)計如圖2 所示，模塊采用多線程的Socket 傳輸模式，通過鏈路管理管理多個數(shù)據(jù)發(fā)送/接收線程。系統(tǒng)啟動后，即開啟端口監(jiān)聽線程，等待其他節(jié)點的接入。為最大化利用硬件資源，同時避免軟件空轉(zhuǎn)造成的“假死”現(xiàn)象，采用完成端口機制進行線程管理。當有節(jié)點接入時，鏈路管理將該接入綁定至空閑的數(shù)據(jù)接收線程上，并啟動數(shù)據(jù)接收；當有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，鏈路管理啟動空閑的數(shù)據(jù)發(fā)送線程，連接遠程的數(shù)據(jù)接收節(jié)點。通過自定義通信協(xié)議，本部分將數(shù)據(jù)文件封裝為特定格式的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。同時，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)啟動后，即創(chuàng)建數(shù)據(jù)發(fā)送隊列與數(shù)據(jù)接收隊列，支持按照數(shù)據(jù)或指令的優(yōu)先級進行隊列管理，以實現(xiàn)有序的文件傳輸。

圖2 文件發(fā)送與接收設(shè)計

3.4 鏈路切換模塊

發(fā)送端和接收端通過兩種通信鏈路聯(lián)通，在傳輸系統(tǒng)中設(shè)置傳輸鏈路優(yōu)先級，優(yōu)先級高的鏈路優(yōu)先選用，其發(fā)生故障時，選用優(yōu)先級低的鏈路。將主鏈路優(yōu)先級設(shè)置為1，備用鏈路設(shè)置為2。傳輸系統(tǒng)通過定時ping接收端IP地址，獲取本節(jié)點至上級節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，持續(xù)n1秒ping 不通接收端IP 地址時，選用備用鏈路，然后計時n2秒后切換回主鏈路。n1、n2數(shù)值大小可根據(jù)實際情況靈活設(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不通時才判定為主鏈路故障。

切換鏈路通過調(diào)用路由命令的方式實現(xiàn)。具體方式如下：如發(fā)送端為雙網(wǎng)卡機器，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)用對應(yīng)的路由命令可實現(xiàn)鏈路的選擇，即選用主鏈路時調(diào)用命令1，選用備用鏈路時調(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

4 系統(tǒng)實驗結(jié)果

目前雙鏈路海洋觀測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已在部分站點業(yè)務(wù)化運行。因大部分海洋站地面網(wǎng)已建成，且被4G 基站信號覆蓋，VPDN 相對于衛(wèi)星通信資費便宜，無須布線施工，故當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)點的終端分別通過地面網(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)終端實時發(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)定性和時效性，并以地面網(wǎng)和4G VPDN 為例驗證了系統(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，因此在實際應(yīng)用中可根據(jù)實際需求和資費預(yù)算等對系統(tǒng)進行擴展，選擇合適的IP 網(wǎng)絡(luò)通信方式。例如站點不具備專線鋪設(shè)條件，且被4G 信號覆蓋時，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，未來將進一步研究擴展北斗等非IP 網(wǎng)絡(luò)方式的適用性。