气象内网设计研究与应用

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1引言

传统的气象网络核心架构由路由器与数据传输线路组成，配置协议采用静态路由协议（StaticRouting），受组网设备与网络协议限制，网络系统呈现出数据传输延迟大、气象路由线路无法自动检测等特性。采取了“多线路+多路由设备”、配置协议为OSPF与BFD的网络方案对现有网络架构模式进行升级优化[1]，以甘肃省各市气象部门升级后的网络架构为例，改造后的网络架构分为气象内网与互联网，其中内网线路由电信MSTP主线路、移动PSTN备份线路、同城光纤、VPN专线和联通3G备份线路组成。外网线路由电子政务外网和电信Inter线路组成。整个架构采用的路由协议为OSPF与Staticrout-ing，检测转发引擎之间通信故障的机制为BFD[2]。本文对优化升级后的网络结构进行分析，研究新网络系统路由收敛速度，以及BFD对链路故障快速检测并告知OS-PF协议时，所发生整个网络拓扑变化的响应。本文提出的设计网络方案适合各市气象信息网络推广。

2原网络拓扑结构

如图1从上往下所示拓扑结构顶层为县、省级气象设备边界层，市级核心层由一台MSR5660路由器构成，其GE2/1/0端口接入电信MSTP专线,Serial口接入移动SDH专线,路由协议配置通过指定静态路由优先级方式，形成电信、移动数据专线主备模式。县局路由器端口接线方式与配置同市局路由器配置类似。现有结构不合理存在网络环境比较脆弱,易发生单点故障的情况，总体网络性能与可靠性较低，已不能满足业务发展需求。主要表现在以下几点：(1)网络路由协议采用Staticrouting(静态路由协议)[3]，主备链路切换速度慢，气象数据的转发和延迟高，路由表只能由网络管理员手动更新，IP路由更新慢，管理麻烦。(2)市-县级机房都只有一台路由器作为核心设备，无BR(BackRouter备份路由器)。当路由器设备出现故障时，可能导致整个信息网络瘫痪，不能保证数据传输。目前也无三层核心交换机，对气象业务进行VLAN划分管理。(3)随着气象部门与地方政府合作业务增加，现有的网络专线带宽无法满足业务需求，对业务和管理工作影响很大。市-县终端设备增多，交换机以太网端口空余接口较少，无法满足扩容需求。

3网络总体改造设计

市-县两级机房新增物理设备H3C三层核心交换机作为汇聚层，其中县级核心交换机型号为H3C-S5500,市级核心交换机型号为H3C-S7500E。市级两台H3C路由器MSR-5660分别作为Master路由器与BackRouter路由器,县局两台H3C路由器MSR-3620分别作为Mas-ter路由器与BackRouter路由器，该系列设备均支持VLAN划分与OSPF协议，核心交换机中VLAN划分以数据业务，视频业务，其他业务为原则，图2为新规划的市-县气象局网络拓扑图。如图2从以下几个方面进行:(1)市-县机房的主、备路由器的以太网端口GE2/0/1加入心跳网线，以便设备之间BFD检测。(2)市-县主设备CoreA与CoreD之间接入电信MSTP专线，其带宽为100M，备用路由器CoreB与CoreE之间接入移动PSTN专线，带宽为30M，实现市-县网络链路的硬件备份以及带宽扩容。(3)路由协议从StaticRouting改为StaticRouting与OSPF协议[4]混合，确保数据传输的网络路径稳定性。(4)在广域网链路上增加Qos协议,按照业务的重要性和数据传输量进行带宽控制，保证各项业务能得到合理的带宽，实现数据传输的最优方式。

3.1市-县级OSPF网络系统工作流程(1)邻居发现阶段：将市级设备A、B、C，县级设备D、E、F，省级设备H、I的物理端口通过物理连接，形成OSPF系统。各直连设备端口相互发送HELLO报文，形成two-way状态。(2)主从关系确立阶段：市、县Router设备相邻端口进入two-way状态之后，Router对每个邻居发来的Hello包字段报文进行检查对比，确定以太网端口的DR与BDR，在本系统中，我们将市级设备CoreA路由器的以太网端口GE2/1/1的cost（开销）值设置为10作为DR[5]。CoreB路由器的端口MP-group2/0/0的cost值设置为20端口设置为BDR。县级路由设备CoreD的以太网端口GE0/1cost值设置为10作为DR,CoreE设备的以太网端口GE0/1cost值设置为30作为BDR。(3)数据库同步阶段：将市-县路由设备DR与BDR交互LSA（链路状态通告），区间内与各区间发送LSR/LSU/LSack来获取未知的LSA信息，其中LSA-1与LSA-2在本区域内传递，LSA-3通过骨干区域Area0跨区间传递给Area6与Area60,当OSPF系统中路由设备收集完网络中所有的LSA后，生成LSDB（链路状态数据库)[6]。(4)完全邻接阶段：市-县路由器的LSDB建立完成后，基于OSPF协议路径选择规则，路由器将计算出的最优路径加载到路由表中,此时系统中的路由设备完成收敛,路由设备中的OS-PF接口变为Full状态。

3.2BFD检测过程BFD检测过程如图3所示。(1)分别在市级路由设备CoreA与CoreB的以太网端口GE2/0/1之间建立一个BFD会话（依靠上层协议建立，例如OSPF的邻居建立时，会将邻居信息告知BFD，BFD根据这个信息再建立BFD邻居）[7]。(2)开启BFD回声功能，路由设备CoreA每隔400ms发送BFD控制报文给路由设备CoreB。BFD在建立会话的两个网络节点之间进行BFD检测。如果发现链路故障就拆除BFD邻居，并立刻通知上层协议OSPF，则上层协议会立刻进行相应的路由切换。(3)县级路由设备中BFD设置与此一致。BFD技术应用在此网络结构链路中，结合路由、MPLS、VPN、QOS工程等技术[8]，可以对重点服务流量提供高可靠性，从而保证服务质量。

4系统网络测试

4.1模型建立本次仿真模型是通过Ensp软件建立，利用Wireshark软件对路由器的以太网端口进行数据抓包、分析、比对，新设计的网络拓扑结构仿真图如图4所示：在仿真图中将路由设备CoreA与CoreB,CoreC模拟市级路由实物设备，路由设备CoreE，CoreD，CoreF模拟县级路由实物设备，以太网端口按照实物连线方式相接，根据路由设备传输功能，我们将CoreA划分为骨干区域Area0作为ABR（区域边界路由器），模拟省-市通信。县级设备与CoreC划分为子区域Area60，模拟市-县通信，CoreB因作为BDB（核心备份），故与CoreA划分为子区域Area6,模拟主-备路由通信。

4.2功能测试验证本文提出的路由设备启动时，OSPF协议启动流程、以及所划分区域的功能是否实现，以及当市县主备路由设备发生故障时，通过BFD检测机制，自动将主备路由切换时延数据。(1)所有设备启动，并对设备路由配置完成，此时路由器之间相互发送Hello报文，对路由设备CoreA以太网端口GE0/0/1抓取数据报文（如图5所示),从报文中可以发现，OSPF系统已经形成，端口之间的链路状态通告相互发送，路由器端口之间主备关系确立，其中CoreA以太网端口GE0/0/1为主路由器，CoreB以太网端口GE0/0/1为备份路由器。(2)对CoreA以太网端口GE0/0/1执行指令shutdown，此时抓取数据报文如图6所示，对BFD报文中关键位码分析，此时报文字段State值为0X03,状态为UP，表明端口已启动，MyDiscriminator与YourDiscriminator字段均有数值，显示连接本地与远端连接建立，最小BFD报文发送与接送间隔均为400ms，通过对BFD报文字段分析，表明BFD检测机制已正常工作。
4.3性能测试网络上的链路故障或拓扑变化都会导致设备重新进行路由计算，所以缩短路由协议的收敛时间对于提高网络的性能是非常重要的。由于链路故障是无法完全避免的，因此，加快故障感知速度并将故障快速通告给路由协议是一种可行的方案。BFD和OSPF相关联，一旦与邻居之间的链路出现故障，BFD的故障快速检测机制能够加快OSPF的收敛速度。主要测试系统中某台设备或者链路出现故障，系统自动切换时间。实验通过多次测试取平均值的方式，测试结果如表1所示。

4.4结果分析实验截取不同端口的报文进行分析:在OSPF系统形成时，各区域中的路由器端口相互发送Hello报文，最后路由器根据SPF算法计算出了各自的路由表，BFD报文中Sessionstate字段的比特编码为0x3,端口状态为UP，表明路由端口BFD检测启动成功。此后，Wiershark在CoreA的GE0/0/1和CoreB的GE0/0/1口抓取到BFD报文，从而验证了本系统提出的BFD检测机制。主设备发生故障时，主备系统切换时延在150ms之内，相比现有的静态路由拓扑链路的网络路由收敛与切换时延速度，性能得到了很大的提升。对气象数据传输时效的影响基本可以忽略不计。

5结束语

通过新的网络设计规划思路，设计出的网络架构，具有以下特性：(1)可靠性稳定，网络链路与网络设备均为双备份方式，通过BFD检测机制，当主设备或主线路故障时，备份系统可以实现毫秒级切换。这种短时间的切换对当前气象数据传输的影响基本可以忽略不计。(2)本方案采用了动态与静态路由协议相结合的方式，其中对网络结构采取了Area划分，这样可以使区域内网络结构改变对全局网络结构影响变得最低，边界路由器ABR相互交换路由信息，不仅能够自动获知新增加的网络，还可以在当前网络连接失败时找出备用路径，相比于传统的Stat-icrouting协议,网络人员更便于维护与管理。(3)系统资源利用合理化，本系统中所有设备的端口、光模块、CPU等资源都能最大化利用，极大提升系统转发数据包能力[9]。并且该方案设计出的系统已在部分市、县气象部门实施完成并稳定运行。下一步将在气象数据、气象部门对外业务扩展进一步开展研究。

参考文献:

[1]乔晓飞.基于信息化技术的企业局域网系统设计与实现[J].自动化技术与应用,2020,39(11):182-186.

[2]田硕,翟胜.通信协议对网络控制系统稳定性的影响[J].自动化技术与应用,2021,40(2):66-68,93.

[3]李本霞,夏辉,张三顺.一种基于信任的组播路由协议[J].信息网络安全,2019(1):59-67.

[4]丁钰,魏浩,潘志松,刘鑫.网络表示学习算法综述[J].计算机科学,2020,47(9):52-59.

[5]鲍磊磊,唐红昇,姜淑杨,吴嘉伟,李玉涛.基于IRF2和LACPMAD的气象网络设计研究[J].计算机应用与软件,2019,36(1):137-141.

作者:叶晓文 倪文亮 武方舒 汪鸿滨 单位:甘肃省天水市气象局天水天气雷达站 甘肃省兰州市中国人民解放军32269部队