气象观测站点数据传输组网建设技术研究

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气象观测站主要分为国家站和区域站，站内部署了各种仪器和设备，承担了收集关于温度、湿度、气压、风速、风向、降水量、日照时间、云量等气象要素的观测数据的职责，这些数据是天气预报和气候研究的基础，是现代气象业务体系的重要组成部分。目前，气象观测站数量总计超过7万，部分观测数据传输时效达到1分钟，有着站点数量多、观测数据种类多、数据传输频次高的特点。

为保证气象观测数据的高效、快速、稳定收集处理，气象部门建立了覆盖国、省的宽带地面通信网络，取名为气象广域网络系统，用于国内观测数据的上传以及相关产品数据的共享和交换[1- 2]。在国、省之间的数据传输链路上，租用了电信2条和联通1条的骨干网络，采用多协议标签交换虚拟专用网（MPLSVPN）技术，基本保证了气象数据稳定、安全的传输，但对于气象观测站到省中心站的这条链路，传输质量有所降低。

根据调研情况，国家站至省中心站基本建立了专线或专网，可以有效保证观测数据的传输质量，但对于区域站来说，受限于地理位置环境、经费等因素，多数采用无线网络（4G）方式完成数据的上传，传输质量受信号影响较大，且4G的传输链路为普通民用互联网链路，也无法有效保证数据安全[3]。随着2021年《中华人民共和国数据安全法》的施行，数据安全的重要性日益凸显，成为国家安全和经济社会发展的关键因素，气象数据是地球系统科学的重要基础性数据，气象工作关系生命安全、生产发展、生活富裕、生态良好，故气象数据安全对于国家、社会和经济的稳定发展具有至关重要的作用。

从气象观测数据的传输质量和安全性综合考虑，目前多数气象观测站采用的数据上传方式还有进一步优化的空间，本文将做进一步的专网搭建技术调研及分析，为下一代的观测站组网提供技术依据，保证观测数据的稳定、安全上传。

二、专网搭建技术路线

（一）概述

经过调研，可将专网搭建技术分为6种，分别是移动通信、裸物理链路、专线、IPsecVPN、云专网和软件定义广域网（SD-WAN）技术。

（二）移动通信

移动通信技术是指在终端设备上插入用户识别模块卡（SIM卡），通过无线电波进行数据、文件传输和语音视频通信的技术，主要利用蜂窝网络基站来提供连续的信号覆盖，在信号范围内的终端即可接入网络。移动通信技术的优势主要体现在便捷性和灵活性，终端设备可以在较大的地理区域内保持通信连接，不受固定位置的限制，无需使用线缆。

（三）裸物理链路

裸物理链路，一般被称为专线光纤，是指运营商提供的光纤物理通道，为用户独占。用户可以自行在两地配置收发设备，利用这条光纤通道来传输数据。

（四）专线

网络专线是指由运营商为企业或特定用户提供的专用网络连接服务。这种连接通常是为了满足用户对数据传输安全性、稳定性、速度和带宽的特定需求。网络专线服务通常与公共互联网隔离，以确保数据传输的质量和安全性。

专线是点到点传输的，但并不独占一条物理线缆，中途会经过运营商的各类路由器、交换机等设备，只是在逻辑上表现出一种"直连"的现象。

（五）IPsecVPN

IPsecVPN（Internet Protocol Security Virtual Private Network）是一种广泛使用的虚拟专用网络技术，它通过在IP层上实现安全协议来提供数据加密和认证服务。

IPsecVPN技术允许在不安全的网络（如互联网）上建立一条安全的通信隧道，确保数据传输的安全性。

（六）云专网

云专网技术主要是以运营商的骨干网为承载网络，使用MLPSVPN、SRv6、SDN等技术，提供一套快捷、弹性、随选的组网方式，主要解决不同地域、不同局域网络间和与云资源池的互联网问题。

不同于专线的点到点模式，云专网是一个网状结构，一点接入后即可与其他所有节点互联互通，同时支持与阿里云、腾讯云等公有云连接，适合全国多站点互联组网、多云接入、快捷扩展分支节点的使用场景。

云专网的实现需要用到CE（Customer Edge）和PE（Provider Edge）两类设备。CE设备名为用户边缘路由器，位于用户接入侧站点的边缘，主要用于连接PE设备，是用户网络与服务提供商网络之间的接口，通常为路由器。PE设备是运营商边缘路由器，位于运营商网络的边缘，用于连接CE设备[4- 5]。

（七）软件定义广域网（SD-WAN）

SD-WAN（Software-Defined Wide Area Network，软件定义广域网）是一种新兴的网络技术，它利用软件定义网络（SDN）的原理来管理和优化企业的广域网（WAN）性能。SD-WAN的核心优势在于灵活性、成本效益、管理简单和对云服务的优化支持。

在SD-WAN网络架构中，智能网关通常简称为CPE，CPE作为SD-WAN网络部署在用户侧的重要网络设备，主要负责与POP点通过网络组建加密通道，将用户侧需要通过SD-WAN网络传输组网的流量通过加密通道传输至POP及SD-WAN主干网中，并传输到SD-WAN网络对端CPE。控制器是SD-WAN网络架构的"大脑"，负责实现网络的编排和管理功能[6- 7]。

在运营商"最后一公里"问题上（用户侧设备落地点至最近的运营商站点），SD-WAN也有其独有的优势。SD-WAN网络可以支持通过Internet（互联网）或4G/5G的方式连接CPE和POP，大大减小了线缆的部署难度。

三、技术路线分析对比

以下将从稳定性、安全性、灵活性、经济性、可管理性等方面对6种传输方案进行对比分析，见表1—表5。

（表1 稳定性对比分析：移动通信一般、裸物理链路一般、专线非常稳定、IPsec VPN一般、云专网非常稳定、SD-WAN比较稳定）

（表2 安全性对比分析：移动通信一般、裸物理链路非常安全、专线非常安全、IPsec VPN一般、云专网非常安全、SD-WAN比较安全）

（表3 灵活性对比分析：移动通信非常高、裸物理链路低、专线低、IPsec VPN非常高、云专网较高、SD-WAN高）

（表4 经济性对比分析：移动通信非常高、裸物理链路低、专线低、IPsec VPN非常高、云专网较高、SD-WAN高）

（表5 可管理性对比分析：移动通信低、裸物理链路高、专线高、IPsec VPN低、云专网非常高、SD-WAN非常高）

四、业务可行性分析

（一）现状

国家站：当前国家级地面气象观测站（简称"国家站"）共计2439个，国家站每个站点每次上传的数据量为8K，带宽要求较低。因此此类站点的数据要求极高，故当前国家站主要通过专线（点对点）或者云专网（MPLSVPN）将数据上传至省级，再通过国省广域网上传至国家级。

区域站：中国全国地面气象自动站（简称"区域站"）共计71546个（不包括国家站），区域站每个站点每次上传的数据量为几K到几十K不等，带宽要求较低。区域站主要是依据特定公里间隔的密度进行布设，故大量站点位于偏远山区，偏远山区内无运营商线缆落地条件，目前只能通过4G网卡的方式实现观测数据的上传，且部分山区内无供电环境，使用太阳能维持观测设备的运行。

（二）移动通信

移动通信技术在灵活性和经济性上具备绝对优势，尤其是对于位于偏远山区、运营商有线线缆无法到达且无稳定供电条件的观测站来说，移动通信技术是唯一选择。从数据安全的角度考虑，移动通信技术的传输通道是安全性未知的公用互联网，存在数据被窃取的可能，故移动通信技术不能作为气象观测站点数据传输组网的首要选择。

（三）裸物理链路

裸物理链路的建设成本极高，且对于长距离的线路来说，跳接节点多，一节点故障将造成整个线路的中断，冗余性极差。根据调研，运营商目前已经基本不出售裸物理链路资源，故不考虑使用此种技术。

（四）专线

专线方式虽然稳定可靠，但更加适合点对点传输的场景。气象观测站点众多，网络接入的节点多，不符合点对点传输的场景，且专线技术的价格是几种技术中最昂贵的，投资成本太高，故不建议使用此种技术。

（五）IPSecVPN

IPSecVPN虽然在经济性上占据极大优势，但数据完全通过互联网传输，存在观测数据被窃取、解密的风险，且互联网链路整体的传输质量不如专线和云专网等专有承载网，无法保证观测数据的传输稳定性和时效性，故不建议使用此种技术。

（六）云专网

目前国省广域网使用的就是云专网技术，经过实践检验整体稳定可靠。云专网技术由运营商高质量专网作为承载网，与高威胁的互联网线路完全隔离，作为网状结构一点接入后可与其他所有节点互联互通。云专网技术在稳定性、安全性、灵活性、经济性方面较为均衡，推荐使用此方式进行气象数据专网组建。但云专网在"最后一公里"问题（用户侧设备落地点至最近的运营商站点）上要求较高，需要运营商部署物理线缆，对位于偏远山区的气象站点可能无法落地实施。对于有"最后一公里"实施条件，但目前使用4G方式进行数据传输的气象站点，需要进行业务改造。云专网的实现需要在气象观测站端部署CE设备，要求具备稳定的供电条件。

（七）软件定义广域网（SD-WAN）

SD-WAN在实现效果上与云专网部分类似，骨干传输区域均通过运营商高质量承载网进行传输，为网状结构，在经济性上比云专网略优。在"最后一公里"问题上，SD-WAN具有明显的优势，SD-WAN支持通过4G方式完成"最后一公里"的传输，可以解决运营商线缆无法落地的偏远气象站点与运营商连接的问题，且对业务改造需求也偏小。但4G方式的传输质量受信号强度影响波动较大，且为公共线路，存在被攻击的风险，故SD-WAN的传输质量和安全性稍弱于云专网。SD-WAN的实现需要在气象观测站端部署CPE设备，要求具备稳定的供电条件。

五、结语

经过前文的分析，云专网和SD-WAN技术比较符合业务需求，推荐以"云专网+SD-WAN"混合组网的方式完成气象数据传输专网的组建，如图1所示。

第一，对于完全具备物理实施环境（运营商线缆落地和供电）的站点，采用云专网的方式进行接入。

第二，对于部分具备物理实施环境（运营商线缆无法落地，但有稳定供电条件）的站点，采用SD-WAN的方式接入，即数据先通过4G方式传输至最近的运营商POP站点，完成"最后一公里"的传输，而后通过运营商高质量承载网进一步传输。

第三，对于不具备物理实施环境（运营商线缆无法落地、无稳定供电条件）的站点，采用利旧方式，不进行改造。

参考文献：

[1]王允达,李楠,田力,等.气象观测站点数据传输组网建设技术研究[J].

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