一种双链路海洋观测数据传输系统研究

王晓瑞，吴永芳，李鹏辉，陈艳云，熊金莲，张学灵

（国家海洋信息中心，天津 300171）

海洋占据了地球表面积的71%，蕴藏着丰富的能源、矿产和生物等资源，对缓解资源紧缺、保障国家安全和调节全球气候具有重要作用[1-2]。海洋观测数据的获取是开发海洋、利用海洋和保护海洋的重要依据[3]。我国作为海洋大国，拥有299.7万km2的海洋国土面积和绵长的大陆海岸线、岛屿岸线。同时，我国也是世界上遭受海洋灾害最严重的国家之一。随着海洋经济的快速发展，沿海地区海洋灾害风险日益突出，海洋防灾减灾形势十分严峻[4]。海洋观测数据的获取是海洋预报及海洋灾害预警的基础，对防灾减灾具有非常重要的意义[5]。海洋预报依赖于观测数据的实时、连续获取，对时效性要求很高。为合理开采资源、防灾减灾、保障沿海安全，海洋观测数据的稳定、快速传输显得尤为重要。

1 海洋观测数据传输现状

我国海洋观测业务工作经几十年的发展，逐步形成了海洋站、雷达（分为地波雷达和X 波雷达）、浮标、志愿船、GNSS 等组成的海洋立体观测网，分北、东、南三个海区，基本覆盖了我国近岸、近海及部分重点关注海域，实时数据获取频次已达分钟级[6]。其中海洋站数据按采集频率分为分钟数据（每分钟生成）、整点数据（每小时生成）及正点数据（每6 h生成），GNSS数据每小时生成1 个，其余类型数据采集时间间隔为20 min~1 h不等。由此看来，海洋站分钟数据的生成频率最高，每个海洋站每天可生成文件1 440个。

针对海洋观测数据传输业务，已建成地面网，该网络为四层网络架构，将网络节点分为国家、海区、中心站和海洋站四级，各节点间通过专线连接。除因地理位置等原因不具备搭建专线链路条件的极少数站点外，地面网覆盖了几乎所有站点。各节点内部建有局域网，网络结构较为相似（图1）。

图1 节点内部网络示意图

基于地面网结构，海洋观测数据传输流程采用“海洋站-中心站-海区-国家”自下而上分级传输的业务体系。由于地面网具有传输稳定、丢包率小和全双工等优势，在海洋观测数据传输中得到了广泛应用。但地面网故障时，会严重影响海洋观测数据传输，而海洋观测数据用于预报减灾，尤其是处于汛期时，对传输时效性有着较高要求。因此，添加合适的备用链路，可以保证在地面网故障修复期间数据的连续不间断传输。

2 现有无线通信方式

北斗短报文通信由国内自主研发，具备安全性高，通信抗干扰强等优点[7]，在国防军事、自然灾害监测、海洋及陆地边远地区预警信息发布等领域已得到广泛的应用[8]，但是民用通信一次最多仅可传送120 个字节的信息[9]。VSAT 卫星通信具有覆盖范围广、系统组网灵活、可扩展性强等优点，且不受距离、复杂地形限制[10]，但是传输延时较大，费用成本高，且受天气影响严重[11]。微波通信具有容量大、建设周期短、成本低等优点[12]，但微波通信主要应用在视距内通信，且易受类光性和极化性限制[13]。4G VPDN 数据传输速度快，抗干扰性强，并且采用隧道验证、身份验证等严格的认证系统和授权机制，安全性高[14]，另外，接入方式简单、无须布线施工，成本低[15]，但是对位于岛上等位置偏远的站点，4G 基站信号可能覆盖不到或信号不稳定。

3 双链路海洋观测数据传输系统

本文开展了基于IP 网络的双链路海洋观测数据传输系统研究，并以地面网和4G VPDN 为例，即以地面网为主链路，4G VPDN 无线通信方式为备份链路，验证了系统的可行性。实际应用中可对系统进行扩展，根据应用场景和各无线通信方式的特点，选择适用的链路。例如4G 信号覆盖不到或不稳定的站点，可选择VSAT 作为备份链路。数据传输系统基于Socket 协议进行设计，共包含传输业务管理、文件发现、文件发送与接收和链路切换等模块。

3.1 传输业务管理模块

传输业务管理模块作为数据传输子系统的核心部分，起到软件框架的作用。其中，业务流程管理采用消息机制，管理其他各个模块的运行事件消息，启动、终止其他模块功能的运行，并为其传递消息。任务模型采用自定义的数据结构，描述如本节点需要将何种数据文件传输给哪个节点等全部数据传输的业务。配置文件管理本地的配置文件，在系统启动时读取本地配置文件形成任务模型，在接收到调度指令时按新的任务模型更新本地配置文件。

3.2 文件发现模块

文件发现模块通过对操作系统的文件变动消息进行监听，实现对本地磁盘文件的实时监控。为在高频次数据文件生成的条件下保证不丢失监控信息，采用完成端口机制，将操作系统的消息绑定至完成端口；收到文件变动消息后，监控该文件的写入完成状态，以保证不读取“脏数据”。文件信息提取是对该消息进行解码，提取变动文件的路径、文件名、变动类型、变动时间等信息。消息过滤是将提取到的信息与本地任务模型进行匹配，过滤出需要进行处理的文件，并以消息形式通知传输业务管理模块。

3.3 文件发送与接收模块

文件发送与接收设计如图2 所示，模块采用多线程的Socket 传输模式，通过链路管理管理多个数据发送/接收线程。系统启动后，即开启端口监听线程，等待其他节点的接入。为最大化利用硬件资源，同时避免软件空转造成的“假死”现象，采用完成端口机制进行线程管理。当有节点接入时，链路管理将该接入绑定至空闲的数据接收线程上，并启动数据接收；当有数据需要发送时，链路管理启动空闲的数据发送线程，连接远程的数据接收节点。通过自定义通信协议，本部分将数据文件封装为特定格式的数据包进行发送和接收。同时，该协议支持将调度指令按相同格式封装为数据包发送接收。系统启动后，即创建数据发送队列与数据接收队列，支持按照数据或指令的优先级进行队列管理，以实现有序的文件传输。

图2 文件发送与接收设计

3.4 链路切换模块

发送端和接收端通过两种通信链路联通，在传输系统中设置传输链路优先级，优先级高的链路优先选用，其发生故障时，选用优先级低的链路。将主链路优先级设置为1，备用链路设置为2。传输系统通过定时ping接收端IP地址，获取本节点至上级节点的网络状态，持续n1秒ping 不通接收端IP 地址时，选用备用链路，然后计时n2秒后切换回主链路。n1、n2数值大小可根据实际情况灵活设置，其中n1的设置是为避免网络抖动造成误判，故在传输系统配置文件中设置持续n1秒ping不通时才判定为主链路故障。

切换链路通过调用路由命令的方式实现。具体方式如下：如发送端为双网卡机器，主链路IP地址为172.16.31.2，网关为172.16.31.254，掩码为255.255.255.0，备用链路地址为192.168.1.2，网关为192.168.1.254，掩码为255.255.255.0，接收端IP 地址为172.17.31.2。传输软件在cmd 窗口中设置两条路由命令，分别为命令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，调用对应的路由命令可实现链路的选择，即选用主链路时调用命令1，选用备用链路时调用命令2，链路切换示意图如图3所示。

图3 链路切换设计

4 系统实验结果

目前双链路海洋观测数据传输系统已在部分站点业务化运行。因大部分海洋站地面网已建成，且被4G 基站信号覆盖，VPDN 相对于卫星通信资费便宜，无须布线施工，故当前两种链路分别采用地面网和4G VPDN。网络结构如图4 所示，海洋站和海区节点的终端分别通过地面网和4G VPDN 两种方式联通，在两终端分别部署数据传输系统，海洋站终端向海区终端实时发送数据。

图4 网络结构示意图

5 总结与展望

海洋数据传输对海洋发展具有十分重要的意义，本文介绍了目前数据传输现状，研究了一种双链路海洋观测数据传输系统，用以提高数据传输的稳定性和时效性，并以地面网和4G VPDN 为例验证了系统的可行性。本系统数据传输基于IP网络通信方式，不局限于地面网和4G VPDN 通信，VSAT 等其他IP 网络方式均可适用，因此在实际应用中可根据实际需求和资费预算等对系统进行扩展，选择合适的IP 网络通信方式。例如站点不具备专线铺设条件，且被4G 信号覆盖时，可选用4G VPDN 和VSAT 两种线路。本系统不适用于北斗等非IP 网络，通信方式的选择稍显局限，未来将进一步研究扩展北斗等非IP 网络方式的适用性。