曾 薇 楊 樂

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OSPF在地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中的應用研究

曾 薇 楊 樂

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

在地震災害發(fā)生后，地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)為地震救援提供高效可靠的音視頻以及數(shù)據(jù)傳輸信道。由于地震災害的突發(fā)性和不可預見性，地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)在滿足業(yè)務傳輸需求的同時需要實現(xiàn)靈活組網(wǎng)。OSPF（Open Shortest Path First，優(yōu)先開放最短路由協(xié)議）較小的網(wǎng)絡開銷以及兼具靈活的組網(wǎng)方式，對于帶寬資源有限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說無疑是相當具有優(yōu)勢的。本文著重研究了OSPF在地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中的具體應用。

地震應急 衛(wèi)星通信 OSPF

引言

地震應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)是中國地震局“十五”期間建設并投入運行的一套全國性衛(wèi)星通信系統(tǒng)。由于要支持多個抗震救災指揮部之間的各種組合的通信要求，需要衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持點到點、點到多點、多點到多點的通信需求，并且在應急通信期間，可同時支持包括數(shù)據(jù)、語音和圖像在內(nèi)的多種不同業(yè)務同時傳輸（張毓豐等，2005）。OSPF路由協(xié)議具有支持大型網(wǎng)絡、路由收斂快、占用網(wǎng)絡資源少等優(yōu)點，在目前應用的路由協(xié)議中占有相當重要的地位。該協(xié)議兼具較小的網(wǎng)絡開銷以及靈活的組網(wǎng)方式，能夠在有限的帶寬資源條件下實現(xiàn)網(wǎng)絡靈活組網(wǎng)的業(yè)務模式。地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中的衛(wèi)星站可視為路由器，使用OSPF可以實現(xiàn)快速靈活組網(wǎng)，滿足地震現(xiàn)場應急救援通信系統(tǒng)的需求。

OSPF是功能最強大、特點最豐富的開放式路由協(xié)議之一。它的復雜性也是其弱點來源，因為設計、建造和操作一個OSPF互聯(lián)網(wǎng)絡，需要比使用幾乎每一種其他路由協(xié)議更多的專業(yè)知識和精力。在使用過程中，必須小心地設計區(qū)域和網(wǎng)絡拓撲，如果設計得當，OSPF會使網(wǎng)絡得到優(yōu)異的性能和快速的收斂速度。

1 地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)簡介

1.1 網(wǎng)絡概述

地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)絡是一套在地震應急期間，為國家抗震救災指揮部、發(fā)生地震的省級抗震救災指揮部、地震現(xiàn)場抗震救災指揮部之間同時提供各站發(fā)射速率不低于2Mbps的衛(wèi)星信道，以保證國家抗震救災指揮部、發(fā)生地震的省級抗震救災指揮部、地震現(xiàn)場抗震救災指揮部之間應急通信業(yè)務暢通的衛(wèi)星網(wǎng)絡。

應急衛(wèi)星網(wǎng)的網(wǎng)絡結構為星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)相結合的應用結構。在非地震應急時期，中心站為系統(tǒng)主站，省級衛(wèi)星固定站為遠端站，全網(wǎng)為星狀網(wǎng)應用結構，各固定站只與中心站進行網(wǎng)絡管理的信息數(shù)據(jù)交換及稀路由數(shù)據(jù)傳輸；當某地因發(fā)生破壞性地震而進入地震應急工作狀態(tài)時，移動站趕赴地震現(xiàn)場，架設啟用，此時全網(wǎng)為網(wǎng)狀網(wǎng)的應用結構，中心站、固定站、移動站之間互通，交換數(shù)據(jù)。當?shù)卣鸢l(fā)生在兩省交界處時，將有2個固定站作為省級抗震救災指揮部，與中心站和移動站進行數(shù)據(jù)通信（楊樂等，2012）。其網(wǎng)絡結構如圖1所示。

1.2 站點配置及業(yè)務功能

網(wǎng)絡中包含的站點類型豐富，分別有：中心站、固定站、移動站三大類站點，其中移動站又分便攜站和車載站兩種，以適應地震現(xiàn)場惡劣的周邊環(huán)境，能快速地進入地震現(xiàn)場，提供通信保障；網(wǎng)絡可傳輸?shù)臉I(yè)務也比較豐富，包括：現(xiàn)場視頻傳輸、電視會議系統(tǒng)傳輸、VOIP語音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務等，以多種業(yè)務方式，盡可能直觀、準確地為前后方提供交流的途徑。其業(yè)務拓撲如圖2所示。

2 OSPF在應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中的應用

2.1 OSPF路由協(xié)議

OSPF是Internet網(wǎng)絡TCP/IP協(xié)議族中一種內(nèi)部網(wǎng)絡路由協(xié)議，由Internet OSPF網(wǎng)絡協(xié)議工作組于1991年制定，并以Internet協(xié)議標準RFC1583確立下來，被廣泛應用于Internet路由器。

OSPF路由協(xié)議采用二級網(wǎng)絡體系，在這個網(wǎng)絡體系中有以下兩個重要要素。一個要素是區(qū)域（Area）：一組相互接近的網(wǎng)絡的集合，它是一個自治系統(tǒng)的邏輯劃分；另一個要素是自治系統(tǒng)（Autonomous System）：采用共同路由策略的同一管理域下的所有網(wǎng)絡的集合，有時也叫一個域（Domain），可以邏輯劃分成多個區(qū)域（Area）。

在每個自治系統(tǒng)內(nèi)，必須定義一個連續(xù)的骨干區(qū)域（Backbone Area），其他所有非骨干區(qū)域均須連接到骨干區(qū)域，并通過骨干區(qū)域完成相互之間的通信，骨干區(qū)域也就成了過渡區(qū)域。對OSPF而言，非骨干區(qū)域可以被進一步定義為更具體的區(qū)域類型（如：stub area、totally stub area和not-so-stubby area）。其OSPF分級路由如圖3所示。

2.2 OSPF在應急衛(wèi)星通信網(wǎng)的應用

在應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中，每個衛(wèi)星站都可視為一個路由器，OSPF基于鏈路狀態(tài)算法，路由的選擇不僅僅以最少的跳數(shù)為準，同時也要兼顧鏈路的質(zhì)量。OSPF自治系統(tǒng)被分離為若干區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部路由器（IR，Inter-Router）具有相同的拓撲數(shù)據(jù)庫。不同區(qū)域通過區(qū)域交界路由器（ABR，Area-Border-Router）連接。ABR通過骨干路由器（BR，Backbone-Router）互聯(lián)。

圖4為OSPF自治系統(tǒng)的應用示例。整個應急衛(wèi)星通信網(wǎng)作為一個OSPF自治系統(tǒng)，其中每個省局衛(wèi)星網(wǎng)絡即組成一個區(qū)域，中國地震臺網(wǎng)中心衛(wèi)星站為主站，即骨干路由（BR），省局衛(wèi)星站為區(qū)域交界路由（ABR）。

在同一個區(qū)域內(nèi)的所有路由器交換鏈路狀態(tài)廣播（LSA，Link-State Advertisement），構建連接狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（LSDB，Link State Data Base）。為了適應大型的網(wǎng)絡，OSPF在自治系統(tǒng)內(nèi)劃分多個區(qū)域和骨干區(qū)域，其他區(qū)域必須和骨干相連。在OSPF中，由按照一定的OSPF路由法則組合在一起的一組網(wǎng)絡或路由器的集合稱為區(qū)域，每個OSPF路由器只維護所在區(qū)域的完整的鏈路狀態(tài)信息。OSPF有五種類型的鏈路狀態(tài)包（LSP），每種包都有其用途（見表1）（邵國榮，2011）。

表1 OSPF的鏈路狀態(tài)包

鏈路狀態(tài)路由器包含了LSDB的全網(wǎng)拓撲圖，當網(wǎng)絡中有新設備加入或網(wǎng)絡發(fā)生改變時，鏈路狀態(tài)路由器也發(fā)生改變，但并不會像距離向量路由協(xié)議（如RIP）一樣定時廣播路由表，因而更加適用于大型互聯(lián)網(wǎng)。OSPF的應用使網(wǎng)絡獲得了快速的收斂速度，只有在網(wǎng)絡發(fā)生變化時廣播更新LSDB，大大降低了路由列表廣播數(shù)據(jù)對衛(wèi)星鏈路帶寬的消耗。由于其較小的網(wǎng)絡開銷、同時又兼具靈活的組網(wǎng)方式，因此OSPF對于帶寬資源有限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說無疑是相當具有優(yōu)勢的。但是，如果網(wǎng)絡接入出現(xiàn)頻繁的變化，給基于OSPF的通信系統(tǒng)帶來的沖擊也是不容小覷的。

在LSDB沒有變化時，OSPF通過Hello包來建立、維持和中止衛(wèi)星站之間的鄰接關系。在地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中，Hello包以IP廣播的形式定時從每個衛(wèi)星站的端口發(fā)出，Hello信息中包含的路由優(yōu)先級，則決定了一個OSPF網(wǎng)絡中的指定路由器（DR）和備份指定路由器（DBR）。在整個應急衛(wèi)星網(wǎng)中，只能有一個DR和DBR（指定路由器和備份路由器）。

圖5是OSPF路由更新示例，每個衛(wèi)星站將發(fā)送鏈路狀態(tài)通知到DR和DBR（指定路由器和備份路由器），當鏈路狀態(tài)有更新時，DR將這些更新推送到全網(wǎng)的各個衛(wèi)星站。如果在規(guī)定時間內(nèi)不發(fā)送Hello包到指定衛(wèi)星站的設備將被視為掉線。

在應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中，OSPF路由器可以用作內(nèi)部路由器、區(qū)域邊界路由器、backbone路由器，但不能用作邊界路由器，也就是說，不能用作與其他OSPF自治系統(tǒng)互聯(lián)。這一點在衛(wèi)星網(wǎng)接入到地面線路時尤其突顯。

OSPF路由協(xié)議在地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中的使用基本滿足了地震現(xiàn)場應急傳輸業(yè)務對衛(wèi)星通信系統(tǒng)靈活組網(wǎng)的需求，即點到點、點到多點、多點到多點的通信需求。然而由于應急衛(wèi)星網(wǎng)與地面線路的互聯(lián)，網(wǎng)絡結構在頻繁發(fā)生變化時，產(chǎn)生大量的LSA數(shù)據(jù)和龐大的路由表信息，搶占了大量的帶寬和路由器資源，將會頻繁引發(fā)地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)絡路由的混亂。

2.3 存在的問題和改進的方法

地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)絡自驗收交付使用至今，系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定。隨著地震應急業(yè)務的不斷豐富，通信和數(shù)據(jù)處理設備不斷增加，需要更靈活的衛(wèi)星設備接入方式。在這種情況下，各單位采取的普遍方式是通過路由器將衛(wèi)星網(wǎng)段接入到本單位行業(yè)網(wǎng)中。由于沒有統(tǒng)一的規(guī)劃，這種接入方式導致應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)與地震行業(yè)網(wǎng)之間的路由沖突。而應急通信網(wǎng)所使用的OSPF動態(tài)路由方式此時便成為了雙刃劍，雖然它具備靈活的組網(wǎng)方式，但一旦有設備長期關閉或者網(wǎng)絡發(fā)生變化，時常路由無法找到，造成設備無法組網(wǎng)連通。正如本文在前面所論述的，衛(wèi)星站本身不能作為邊界路由器使用，因此，在衛(wèi)星網(wǎng)接入到地面線路的接口處理上，目前較為有效的解決方式是在OSPF的基礎上添加靜態(tài)路由，為衛(wèi)星網(wǎng)段指定地面線路的端口。并且在衛(wèi)星設備暫時無法通過動態(tài)路由找到路由信息時，按照指定的靜態(tài)路由快速建立連接。但隨著網(wǎng)絡結構的不斷復雜，只有梳理網(wǎng)絡結構，規(guī)范網(wǎng)絡地址，才能將OSPF的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。

邵國榮，2011. OSPF應用研究．電腦知識與技術，7：3306—3307，3321.

楊樂，曾薇，譚穎，2012．地震應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計與應用．震災防御技術，7（1）：100—109.

張毓豐，鄧民憲，2005．地震現(xiàn)場應急救援的通信系統(tǒng)設計．災害學，（4）：111—115.

曾薇，楊樂，2014．OSPF在地震應急衛(wèi)星通信網(wǎng)中的應用研究. 震災防御技術，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年畢業(yè)于北京郵電大學，獲計算機應用專業(yè)碩士學位，同年入職中國地震臺網(wǎng)中心信息網(wǎng)絡部。主要研究方向：信息網(wǎng)絡，衛(wèi)星通信。E-mail: zengwei@seis.ac.cn