氣象內網設計研究與應用

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1引言

傳統的氣象網絡核心架構由路由器與數據傳輸線路組成，配置協議采用靜態路由協議（StaticRouting），受組網設備與網絡協議限制，網絡系統呈現出數據傳輸延遲大、氣象路由線路無法自動檢測等特性。采取了“多線路+多路由設備”、配置協議為OSPF與BFD的網絡方案對現有網絡架構模式進行升級優化[1]，以甘肅省各市氣象部門升級后的網絡架構為例，改造后的網絡架構分為氣象內網與互聯網，其中內網線路由電信MSTP主線路、移動PSTN備份線路、同城光纖、VPN專線和聯通3G備份線路組成。外網線路由電子政務外網和電信Inter線路組成。整個架構采用的路由協議為OSPF與Staticrout-ing，檢測轉發引擎之間通信故障的機制為BFD[2]。本文對優化升級后的網絡結構進行分析，研究新網絡系統路由收斂速度，以及BFD對鏈路故障快速檢測并告知OS-PF協議時，所發生整個網絡拓撲變化的響應。本文提出的設計網絡方案適合各市氣象信息網絡推廣。

2原網絡拓撲結構

如圖1從上往下所示拓撲結構頂層為縣、省級氣象設備邊界層，市級核心層由一臺MSR5660路由器構成，其GE2/1/0端口接入電信MSTP專線,Serial口接入移動SDH專線,路由協議配置通過指定靜態路由優先級方式，形成電信、移動數據專線主備模式。縣局路由器端口接線方式與配置同市局路由器配置類似?，F有結構不合理存在網絡環境比較脆弱,易發生單點故障的情況，總體網絡性能與可靠性較低，已不能滿足業務發展需求。主要表現在以下幾點：(1)網絡路由協議采用Staticrouting(靜態路由協議)[3]，主備鏈路切換速度慢，氣象數據的轉發和延遲高，路由表只能由網絡管理員手動更新，IP路由更新慢，管理麻煩。(2)市-縣級機房都只有一臺路由器作為核心設備，無BR(BackRouter備份路由器)。當路由器設備出現故障時，可能導致整個信息網絡癱瘓，不能保證數據傳輸。目前也無三層核心交換機，對氣象業務進行VLAN劃分管理。(3)隨著氣象部門與地方政府合作業務增加，現有的網絡專線帶寬無法滿足業務需求，對業務和管理工作影響很大。市-縣終端設備增多，交換機以太網端口空余接口較少，無法滿足擴容需求。

3網絡總體改造設計

市-縣兩級機房新增物理設備H3C三層核心交換機作為匯聚層，其中縣級核心交換機型號為H3C-S5500,市級核心交換機型號為H3C-S7500E。市級兩臺H3C路由器MSR-5660分別作為Master路由器與BackRouter路由器,縣局兩臺H3C路由器MSR-3620分別作為Mas-ter路由器與BackRouter路由器，該系列設備均支持VLAN劃分與OSPF協議，核心交換機中VLAN劃分以數據業務，視頻業務，其他業務為原則，圖2為新規劃的市-縣氣象局網絡拓撲圖。如圖2從以下幾個方面進行:(1)市-縣機房的主、備路由器的以太網端口GE2/0/1加入心跳網線，以便設備之間BFD檢測。(2)市-縣主設備CoreA與CoreD之間接入電信MSTP專線，其帶寬為100M，備用路由器CoreB與CoreE之間接入移動PSTN專線，帶寬為30M，實現市-縣網絡鏈路的硬件備份以及帶寬擴容。(3)路由協議從StaticRouting改為StaticRouting與OSPF協議[4]混合，確保數據傳輸的網絡路徑穩定性。(4)在廣域網鏈路上增加Qos協議,按照業務的重要性和數據傳輸量進行帶寬控制，保證各項業務能得到合理的帶寬，實現數據傳輸的最優方式。

3.1市-縣級OSPF網絡系統工作流程(1)鄰居發現階段：將市級設備A、B、C，縣級設備D、E、F，省級設備H、I的物理端口通過物理連接，形成OSPF系統。各直連設備端口相互發送HELLO報文，形成two-way狀態。(2)主從關系確立階段：市、縣Router設備相鄰端口進入two-way狀態之后，Router對每個鄰居發來的Hello包字段報文進行檢查對比，確定以太網端口的DR與BDR，在本系統中，我們將市級設備CoreA路由器的以太網端口GE2/1/1的cost（開銷）值設置為10作為DR[5]。CoreB路由器的端口MP-group2/0/0的cost值設置為20端口設置為BDR?？h級路由設備CoreD的以太網端口GE0/1cost值設置為10作為DR,CoreE設備的以太網端口GE0/1cost值設置為30作為BDR。(3)數據庫同步階段：將市-縣路由設備DR與BDR交互LSA（鏈路狀態通告），區間內與各區間發送LSR/LSU/LSack來獲取未知的LSA信息，其中LSA-1與LSA-2在本區域內傳遞，LSA-3通過骨干區域Area0跨區間傳遞給Area6與Area60,當OSPF系統中路由設備收集完網絡中所有的LSA后，生成LSDB（鏈路狀態數據庫)[6]。(4)完全鄰接階段：市-縣路由器的LSDB建立完成后，基于OSPF協議路徑選擇規則，路由器將計算出的最優路徑加載到路由表中,此時系統中的路由設備完成收斂,路由設備中的OS-PF接口變為Full狀態。

3.2BFD檢測過程BFD檢測過程如圖3所示。(1)分別在市級路由設備CoreA與CoreB的以太網端口GE2/0/1之間建立一個BFD會話（依靠上層協議建立，例如OSPF的鄰居建立時，會將鄰居信息告知BFD，BFD根據這個信息再建立BFD鄰居）[7]。(2)開啟BFD回聲功能，路由設備CoreA每隔400ms發送BFD控制報文給路由設備CoreB。BFD在建立會話的兩個網絡節點之間進行BFD檢測。如果發現鏈路故障就拆除BFD鄰居，并立刻通知上層協議OSPF，則上層協議會立刻進行相應的路由切換。(3)縣級路由設備中BFD設置與此一致。BFD技術應用在此網絡結構鏈路中，結合路由、MPLS、VPN、QOS工程等技術[8]，可以對重點服務流量提供高可靠性，從而保證服務質量。

4系統網絡測試

4.1模型建立本次仿真模型是通過Ensp軟件建立，利用Wireshark軟件對路由器的以太網端口進行數據抓包、分析、比對，新設計的網絡拓撲結構仿真圖如圖4所示：在仿真圖中將路由設備CoreA與CoreB,CoreC模擬市級路由實物設備，路由設備CoreE，CoreD，CoreF模擬縣級路由實物設備，以太網端口按照實物連線方式相接，根據路由設備傳輸功能，我們將CoreA劃分為骨干區域Area0作為ABR（區域邊界路由器），模擬省-市通信?？h級設備與CoreC劃分為子區域Area60，模擬市-縣通信，CoreB因作為BDB（核心備份），故與CoreA劃分為子區域Area6,模擬主-備路由通信。

4.2功能測試驗證本文提出的路由設備啟動時，OSPF協議啟動流程、以及所劃分區域的功能是否實現，以及當市縣主備路由設備發生故障時，通過BFD檢測機制，自動將主備路由切換時延數據。(1)所有設備啟動，并對設備路由配置完成，此時路由器之間相互發送Hello報文，對路由設備CoreA以太網端口GE0/0/1抓取數據報文（如圖5所示),從報文中可以發現，OSPF系統已經形成，端口之間的鏈路狀態通告相互發送，路由器端口之間主備關系確立，其中CoreA以太網端口GE0/0/1為主路由器，CoreB以太網端口GE0/0/1為備份路由器。(2)對CoreA以太網端口GE0/0/1執行指令shutdown，此時抓取數據報文如圖6所示，對BFD報文中關鍵位碼分析，此時報文字段State值為0X03,狀態為UP，表明端口已啟動，MyDiscriminator與YourDiscriminator字段均有數值，顯示連接本地與遠端連接建立，最小BFD報文發送與接送間隔均為400ms，通過對BFD報文字段分析，表明BFD檢測機制已正常工作。
4.3性能測試網絡上的鏈路故障或拓撲變化都會導致設備重新進行路由計算，所以縮短路由協議的收斂時間對于提高網絡的性能是非常重要的。由于鏈路故障是無法完全避免的，因此，加快故障感知速度并將故障快速通告給路由協議是一種可行的方案。BFD和OSPF相關聯，一旦與鄰居之間的鏈路出現故障，BFD的故障快速檢測機制能夠加快OSPF的收斂速度。主要測試系統中某臺設備或者鏈路出現故障，系統自動切換時間。實驗通過多次測試取平均值的方式，測試結果如表1所示。

4.4結果分析實驗截取不同端口的報文進行分析:在OSPF系統形成時，各區域中的路由器端口相互發送Hello報文，最后路由器根據SPF算法計算出了各自的路由表，BFD報文中Sessionstate字段的比特編碼為0x3,端口狀態為UP，表明路由端口BFD檢測啟動成功。此后，Wiershark在CoreA的GE0/0/1和CoreB的GE0/0/1口抓取到BFD報文，從而驗證了本系統提出的BFD檢測機制。主設備發生故障時，主備系統切換時延在150ms之內，相比現有的靜態路由拓撲鏈路的網絡路由收斂與切換時延速度，性能得到了很大的提升。對氣象數據傳輸時效的影響基本可以忽略不計。

5結束語

通過新的網絡設計規劃思路，設計出的網絡架構，具有以下特性：(1)可靠性穩定，網絡鏈路與網絡設備均為雙備份方式，通過BFD檢測機制，當主設備或主線路故障時，備份系統可以實現毫秒級切換。這種短時間的切換對當前氣象數據傳輸的影響基本可以忽略不計。(2)本方案采用了動態與靜態路由協議相結合的方式，其中對網絡結構采取了Area劃分，這樣可以使區域內網絡結構改變對全局網絡結構影響變得最低，邊界路由器ABR相互交換路由信息，不僅能夠自動獲知新增加的網絡，還可以在當前網絡連接失敗時找出備用路徑，相比于傳統的Stat-icrouting協議,網絡人員更便于維護與管理。(3)系統資源利用合理化，本系統中所有設備的端口、光模塊、CPU等資源都能最大化利用，極大提升系統轉發數據包能力[9]。并且該方案設計出的系統已在部分市、縣氣象部門實施完成并穩定運行。下一步將在氣象數據、氣象部門對外業務擴展進一步開展研究。

參考文獻:

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[4]丁鈺,魏浩,潘志松,劉鑫.網絡表示學習算法綜述[J].計算機科學,2020,47(9):52-59.

[5]鮑磊磊,唐紅昇,姜淑楊,吳嘉偉,李玉濤.基于IRF2和LACPMAD的氣象網絡設計研究[J].計算機應用與軟件,2019,36(1):137-141.

作者:葉曉文 倪文亮 武方舒 汪鴻濱 單位:甘肅省天水市氣象局天水天氣雷達站 甘肅省蘭州市中國人民解放軍32269部隊