OSPF在地震应急卫星通信网中的应用研究

曾 薇 杨 乐



OSPF在地震应急卫星通信网中的应用研究

曾 薇 杨 乐

（中国地震台网中心，北京 100045）

在地震灾害发生后，地震应急卫星通信网为地震救援提供高效可靠的音视频以及数据传输信道。由于地震灾害的突发性和不可预见性，地震应急卫星通信网在满足业务传输需求的同时需要实现灵活组网。OSPF（Open Shortest Path First，优先开放最短路由协议）较小的网络开销以及兼具灵活的组网方式，对于带宽资源有限的卫星通信系统来说无疑是相当具有优势的。本文着重研究了OSPF在地震应急卫星通信网中的具体应用。

地震应急 卫星通信 OSPF

引言

地震应急卫星通信系统是中国地震局“十五”期间建设并投入运行的一套全国性卫星通信系统。由于要支持多个抗震救灾指挥部之间的各种组合的通信要求，需要卫星通信系统支持点到点、点到多点、多点到多点的通信需求，并且在应急通信期间，可同时支持包括数据、语音和图像在内的多种不同业务同时传输（张毓丰等，2005）。OSPF路由协议具有支持大型网络、路由收敛快、占用网络资源少等优点，在目前应用的路由协议中占有相当重要的地位。该协议兼具较小的网络开销以及灵活的组网方式，能够在有限的带宽资源条件下实现网络灵活组网的业务模式。地震应急卫星通信网中的卫星站可视为路由器，使用OSPF可以实现快速灵活组网，满足地震现场应急救援通信系统的需求。

OSPF是功能最强大、特点最丰富的开放式路由协议之一。它的复杂性也是其弱点来源，因为设计、建造和操作一个OSPF互联网络，需要比使用几乎每一种其他路由协议更多的专业知识和精力。在使用过程中，必须小心地设计区域和网络拓扑，如果设计得当，OSPF会使网络得到优异的性能和快速的收敛速度。

1 地震应急卫星通信网简介

1.1 网络概述

地震应急卫星通信网络是一套在地震应急期间，为国家抗震救灾指挥部、发生地震的省级抗震救灾指挥部、地震现场抗震救灾指挥部之间同时提供各站发射速率不低于2Mbps的卫星信道，以保证国家抗震救灾指挥部、发生地震的省级抗震救灾指挥部、地震现场抗震救灾指挥部之间应急通信业务畅通的卫星网络。

应急卫星网的网络结构为星状网和网状网相结合的应用结构。在非地震应急时期，中心站为系统主站，省级卫星固定站为远端站，全网为星状网应用结构，各固定站只与中心站进行网络管理的信息数据交换及稀路由数据传输；当某地因发生破坏性地震而进入地震应急工作状态时，移动站赶赴地震现场，架设启用，此时全网为网状网的应用结构，中心站、固定站、移动站之间互通，交换数据。当地震发生在两省交界处时，将有2个固定站作为省级抗震救灾指挥部，与中心站和移动站进行数据通信（杨乐等，2012）。其网络结构如图1所示。

1.2 站点配置及业务功能

网络中包含的站点类型丰富，分别有：中心站、固定站、移动站三大类站点，其中移动站又分便携站和车载站两种，以适应地震现场恶劣的周边环境，能快速地进入地震现场，提供通信保障；网络可传输的业务也比较丰富，包括：现场视频传输、电视会议系统传输、VOIP语音传输、数据传输业务等，以多种业务方式，尽可能直观、准确地为前后方提供交流的途径。其业务拓扑如图2所示。

2 OSPF在应急卫星通信网中的应用

2.1 OSPF路由协议

OSPF是Internet网络TCP/IP协议族中一种内部网络路由协议，由Internet OSPF网络协议工作组于1991年制定，并以Internet协议标准RFC1583确立下来，被广泛应用于Internet路由器。

OSPF路由协议采用二级网络体系，在这个网络体系中有以下两个重要要素。一个要素是区域（Area）：一组相互接近的网络的集合，它是一个自治系统的逻辑划分；另一个要素是自治系统（Autonomous System）：采用共同路由策略的同一管理域下的所有网络的集合，有时也叫一个域（Domain），可以逻辑划分成多个区域（Area）。

在每个自治系统内，必须定义一个连续的骨干区域（Backbone Area），其他所有非骨干区域均须连接到骨干区域，并通过骨干区域完成相互之间的通信，骨干区域也就成了过渡区域。对OSPF而言，非骨干区域可以被进一步定义为更具体的区域类型（如：stub area、totally stub area和not-so-stubby area）。其OSPF分级路由如图3所示。

2.2 OSPF在应急卫星通信网的应用

在应急卫星通信网中，每个卫星站都可视为一个路由器，OSPF基于链路状态算法，路由的选择不仅仅以最少的跳数为准，同时也要兼顾链路的质量。OSPF自治系统被分离为若干区域，区域内的内部路由器（IR，Inter-Router）具有相同的拓扑数据库。不同区域通过区域交界路由器（ABR，Area-Border-Router）连接。ABR通过骨干路由器（BR，Backbone-Router）互联。

图4为OSPF自治系统的应用示例。整个应急卫星通信网作为一个OSPF自治系统，其中每个省局卫星网络即组成一个区域，中国地震台网中心卫星站为主站，即骨干路由（BR），省局卫星站为区域交界路由（ABR）。

在同一个区域内的所有路由器交换链路状态广播（LSA，Link-State Advertisement），构建连接状态数据库（LSDB，Link State Data Base）。为了适应大型的网络，OSPF在自治系统内划分多个区域和骨干区域，其他区域必须和骨干相连。在OSPF中，由按照一定的OSPF路由法则组合在一起的一组网络或路由器的集合称为区域，每个OSPF路由器只维护所在区域的完整的链路状态信息。OSPF有五种类型的链路状态包（LSP），每种包都有其用途（见表1）（邵国荣，2011）。

表1 OSPF的链路状态包

链路状态路由器包含了LSDB的全网拓扑图，当网络中有新设备加入或网络发生改变时，链路状态路由器也发生改变，但并不会像距离向量路由协议（如RIP）一样定时广播路由表，因而更加适用于大型互联网。OSPF的应用使网络获得了快速的收敛速度，只有在网络发生变化时广播更新LSDB，大大降低了路由列表广播数据对卫星链路带宽的消耗。由于其较小的网络开销、同时又兼具灵活的组网方式，因此OSPF对于带宽资源有限的卫星通信系统来说无疑是相当具有优势的。但是，如果网络接入出现频繁的变化，给基于OSPF的通信系统带来的冲击也是不容小觑的。

在LSDB没有变化时，OSPF通过Hello包来建立、维持和中止卫星站之间的邻接关系。在地震应急卫星通信网中，Hello包以IP广播的形式定时从每个卫星站的端口发出，Hello信息中包含的路由优先级，则决定了一个OSPF网络中的指定路由器（DR）和备份指定路由器（DBR）。在整个应急卫星网中，只能有一个DR和DBR（指定路由器和备份路由器）。

图5是OSPF路由更新示例，每个卫星站将发送链路状态通知到DR和DBR（指定路由器和备份路由器），当链路状态有更新时，DR将这些更新推送到全网的各个卫星站。如果在规定时间内不发送Hello包到指定卫星站的设备将被视为掉线。

在应急卫星通信网中，OSPF路由器可以用作内部路由器、区域边界路由器、backbone路由器，但不能用作边界路由器，也就是说，不能用作与其他OSPF自治系统互联。这一点在卫星网接入到地面线路时尤其突显。

OSPF路由协议在地震应急卫星通信网中的使用基本满足了地震现场应急传输业务对卫星通信系统灵活组网的需求，即点到点、点到多点、多点到多点的通信需求。然而由于应急卫星网与地面线路的互联，网络结构在频繁发生变化时，产生大量的LSA数据和庞大的路由表信息，抢占了大量的带宽和路由器资源，将会频繁引发地震应急卫星通信网络路由的混乱。

2.3 存在的问题和改进的方法

地震应急卫星通信网络自验收交付使用至今，系统运行基本稳定。随着地震应急业务的不断丰富，通信和数据处理设备不断增加，需要更灵活的卫星设备接入方式。在这种情况下，各单位采取的普遍方式是通过路由器将卫星网段接入到本单位行业网中。由于没有统一的规划，这种接入方式导致应急卫星通信系统在使用过程中经常出现与地震行业网之间的路由冲突。而应急通信网所使用的OSPF动态路由方式此时便成为了双刃剑，虽然它具备灵活的组网方式，但一旦有设备长期关闭或者网络发生变化，时常路由无法找到，造成设备无法组网连通。正如本文在前面所论述的，卫星站本身不能作为边界路由器使用，因此，在卫星网接入到地面线路的接口处理上，目前较为有效的解决方式是在OSPF的基础上添加静态路由，为卫星网段指定地面线路的端口。并且在卫星设备暂时无法通过动态路由找到路由信息时，按照指定的静态路由快速建立连接。但随着网络结构的不断复杂，只有梳理网络结构，规范网络地址，才能将OSPF的优势发挥到极致。

邵国荣，2011. OSPF应用研究．电脑知识与技术，7：3306—3307，3321.

杨乐，曾薇，谭颖，2012．地震应急卫星通信系统的设计与应用．震灾防御技术，7（1）：100—109.

张毓丰，邓民宪，2005．地震现场应急救援的通信系统设计．灾害学，（4）：111—115.

曾薇，杨乐，2014．OSPF在地震应急卫星通信网中的应用研究. 震灾防御技术，9（2）：304—309.

Application of OSPF in Earthquake Emergency Satellite Communication Network

Zeng Wei and Yang Le

（China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

Earthquake Emergency Satellite Communication Network provides satellite communication channels for audio, radio and other data transmissions after earthquake occurrence. The network should be flexible because of the abruptness and unpredictability of earthquake emergency. OSPF（Open Shortest Path First）has less traffic and flexible networking；it has advantage especially for satellite links which only have limited bandwidth. This article focuses on the application of OSPF in EESCN.

Earthquake emergency；Satellite communication；OSPF

20013-06-24

曾薇，女，生于1980年。2006年毕业于北京邮电大学，获计算机应用专业硕士学位，同年入职中国地震台网中心信息网络部。主要研究方向：信息网络，卫星通信。E-mail: zengwei@seis.ac.cn