基于互聯網的強震儀監測網絡系統的設計與實現1

張 穎 林 洋 郭紅梅

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基于互聯網的強震儀監測網絡系統的設計與實現1

張 穎 林 洋 郭紅梅

（四川省地震局，成都 610041）

密集布設的MEMS強震儀臺網獲取的準實時強震觀測數據，可以為震后災情快速判斷和平時地震學基礎研究提供科學依據。本文闡述了利用3G/4G無線通信和L2TP（Layer Two Tunneling Protocol，第二層通道協議）VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網絡）技術，基于互聯網組建MEMS（Micro Electromechanical System，微機電系統）強震儀監測網絡的主要步驟和實現過程，實現了MEMS數據的實時傳輸。提供了一種簡單的組網模式，為建立靈活、實用、覆蓋面廣，并具有一定安全性的密集監測網絡提供參考。

MEMS 監測網絡 L2TP

引言

隨著地震科學研究的深入和發展及現代電子及計算機技術的不斷進步，現代地震傳感器要向低功耗、微型化、芯片化、智能化、網絡化、低成本高可靠的方向發展，并可實現全頻帶觀測。基于MEMS（Micro Electromechanical System，微機電系統）傳感器的強震儀，以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎，將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元，具有體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、抗沖擊、過載能力強和可批量生產等特點（胡星星等，2013），適合進行高密度布設，開展強震動觀測、應用和研究。強震觀測是地震觀測的重要組成部分，其主要目的是獲取強震發生時地面震動的記錄，利用數字強震觀測網絡的準實時性，在地震發生后迅速給出各點的強震觀測結果，為及時有效地組織抗震救災，乃至建立大震應急系統提供科學依據。強震數據也是確定地震動衰減規律、進行地震危險性分析和地震區劃、震害預測的基礎，同時為抗震設防提供依據。強震觀測資料也可用于震源模式、震源參數、發震機理、地震波傳播規律等地震學基礎研究。為獲取豐富的強震觀測數據，提升強震數據應用的時效性，則需在監視區密集布設強震儀，組建準實時觀測網絡。本文就2017年國家科技支撐計劃課題“城鎮地震防災與應急處置一體化服務系統研發與應用示范”的實際應用，對采用3G/4G通信，基于互聯網，通過L2TP（Layer Two Tunneling Protocol，第二層通道協議）VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網絡）技術組建MEMS強震儀監測網絡進行介紹。

1 L2TP VPN技術介紹

1.1 VPN技術簡介

VPN的英文全稱是“Virtual Private Network”，即“虛擬專用網絡”，VPN的功能是通過一個公用網絡（通常是互聯網）建立一個臨時的、安全的連接，該技術在企業中得到廣泛應用，是對企業內部網的擴展，它可以幫助異地用戶、分支機構、商業伙伴及供應商同公司的內部網建立可信的安全連接，并保證數據的安全傳輸（方韡等，2014）。VPN的應用，節省了租用專線的費用，除了購買VPN設備或軟件產品外，僅需支付上網費用，降低了通信成本。VPN有多種技術，主要包括IPSecVPN、SSLVPN、PPTP、L2TP等，以OSI模型為參照標準，可在不同的協議層實現，如表1。

表1 VPN技術與OSI協議層關系

1.2 L2TP VPN技術

L2TP（Layer Two Tunneling Protocol，第二層通道協議）是在數據鏈路層的一種VPN技術，L2TP是一種工業標準的互聯網隧道協議，簡單易行，設備支持廣泛。其功能和PPTP協議類似，同樣可以對網絡數據流進行加密，不過兩者也有不同之處。PPTP使用單一隧道，L2TP使用多隧道；L2TP提供包頭壓縮、隧道驗證，而PPTP不支持；L2TP主要用于固定的VPN用戶，而PPTP適合移動用戶。

使用L2TP協議構建VPN網絡，通常包含用戶端和服務端兩部分。服務端提供一個固定的IP地址，供用戶端拔入。L2TP VPN建立過程主要如下：

圖1 L2TP建立過程

（1）用戶端向服務端發起連接；

（2）建立L2TP隧道后協商L2TP會話；

（3）L2TP會話協商完成，開始進行PPP參數協商，進行身份確認和地址分配；

（4）用戶端獲得地址后，VPN建立成功。服務端對用戶身份進行確認后，從地址池分配地址給用戶端，至此L2TP會話/隧道建立，網絡通道建立，實現自由訪問（曹菊英等，2011）。若L2TP會話中斷，用戶端會自動新請求建立連接。

2 組網規劃

2.1 網絡結構

MEMS強震儀監測網絡主要包括兩部分，即數據中心和MEMS監測點，圖2為網絡拓撲示意圖。MEMS監測點采用3G/4G通信，配備3G/4G路由器，其撥號獲取的IP地址是動態的，因此VPN的建立只能以監測點作為用戶端向數據中心發起連接請求。同時，數據中心須提供固定公網IP地址，用于與監測點的VPN連接。數據中心通常使用路由器作為VPN接入服務端，通過本地認證或Radius認證服務器，對監測點撥入時的用戶名及密碼進行認證。

圖2 網絡拓撲示意圖

2.2 地址規劃

規范、統一的IP地址規劃對網絡建設至關重要，IP地址規劃是網絡建設前需充分考慮的問題。IP地址規劃應在充分考慮網絡建設規模、開展業務內容和將來擴展等問題的基礎上進行。結合網絡拓撲結構和數據業務，統一規劃、進行分區劃分，互不重疊，便于管理。MEMS監測點主要由MEMS強震儀和無線路由器組成，設備數量少，其地址規劃采用可變長子網掩碼技術，使用C類地址段進行子網劃分，以保證IP地址的利用率。

3 實現過程

L2TP VPN的配置集中在數據中心路由器和MEMS監測點無線路由器上，以圖3為例說明其實現過程。

圖3 網絡連接圖

3.1 中心路由器

以H3C路由器配置命令為例，主要配置及說明如下：

（1）基礎配置

配置公網接口地址：

[H3C]interface Ethernet0/0

[H3C-Ethernet0/0]ip address 182.150.44.29 255.255.255.0

配置內網接口地址：

[H3C]interface Ethernet0/1

[H3C-Ethernet0/1]ip address 192.168.91.1 255.255.255.0

（2）L2TP主要配置

啟用L2TP：

[H3C]l2tp enable

配置域：

[H3C]domain l2tpvpn //l2tpvpn是自定義的域名

[H3C-isp-l2tpvpn] authentication ppp local //ppp本地認證

據市級部門的統計結果顯示，Y市魔芋種植面積約為8 500 hm2，平均產量達到了1.2 t/hm2。目前，Y市農民專業合作社總量達到了2 800家，已建成的魔芋專業種植村有10個，主要種植方式為經濟種植、中藥間作和茶葉間套作等［2］。

[H3C-isp-l2tpvpn] access-limit disable //接入用戶數不限制

[H3C-isp-l2tpvpn] ip pool 10 10.10.10.10 10.10.10.100

//定義地址池，即MEMS端拔入時獲取的IP地址范圍

設置用戶和口令：

[H3C]local-user vpntest //用戶名vpntest

[H3C-luser-vpntest] password simple 111111 //配置口令為111111

[H3C-luser-vpntest] service-type ppp //協議為ppp

[H3C]l2tp-group 1 //配置l2tp組

[H3C-l2tp1] allow l2tp virtual-template 1 //指定用于創建L2TP訪問的虛接口模板

[H3C-l2tp1] tunnel name LNS //命名本地隧道名

配置虛模板：

[H3C]interface Virtual-Template1 //配置虛模板Virtual-Template1

[H3C-Virtual-Template1]ppp authentication-mode pap domain l2tpvpn //使用本地認證l2tpvpn

[H3C-Virtual-Template1]remote address pool 10 //配置VPN呼入的地址池

[H3C-Virtual-Template1]ip address 10.1.1.1 255.255.255.0 //配置虛接口IP地址

配置默認路由，即訪問互聯網的路由：

[H3C] ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 182.150.44.1

配置私網路由，即訪問MEMS監測點的路由，指向虛接口：

ip route-static 192.168.92.0 255.255.255.0 Virtual-Template1 //配置靜態路由

3.2 無線路由器配置

以力必拓3G/4G工業無線路由器配置為例，主要包括兩部分：一是LAN（局域網）設置，二是L2TP設置。LAN設置如圖4，主要包括IP地址、子網掩碼和是否啟用DHCP功能，應根據規劃的子網和IP進行設置。L2TP設置如圖5，主要包括L2TP服務器（即數據中心提供的VPN接入IP），L2TP用戶名、密碼及其他可選項。

圖4 LAN配置截圖

圖5 L2TP配置截圖

4 應用測試

通過MEMS監測點無線路由器的連接界面可直觀查看L2TP的連接情況，如圖6所示，連接建立成功后，在當前狀態頁面可查看到VPN連接狀態、IP、網關等信息。

L2TP VPN建立成功后，利用MEMS實時波形監控軟件接收波形數據，如圖7所示。

圖6 VPN連接狀態截圖

圖7 MEMS數據波形圖

5 結語

本次建設的MEMS強震儀監測網絡，經過幾個月的運行證實，其網絡穩定性及強震監測數據實時性較好。

通信技術的進步，特別是3G/4G無線網絡的快速發展，為地震、氣象、環保等行業的監測工作提供了簡單有效的解決方案，能夠建立起實用性強、覆蓋面廣、靈活性好的監測網絡。而基于一定安全性的考慮，在互聯網的基礎上建立VPN網絡，可以較好地保障地震業務安全、可靠地進行，有效解決無人值守監測站點數據的實時傳輸問題。L2TP是一種簡單的組網技術，有靈活的身份驗證機制和安全性，具有多協議傳輸特性，支持Radius服務器驗證，特別是監測站點端的配置簡單，如果將3G/4G通訊和L2TP協議集成到監測儀器中，將進一步提高監測儀器的適用性，更能提升監測站點的部署和維護效率。

曹菊英，謝桂芳，劉靈麗，2011．無線寬帶VPDN技術及其應用的研究．科學技術與工程，11（2）：402—406．

方韡，張藝峰，閆培等，2014．基于3G網絡的IPSec VPN組網技術在野外流動地震監測中數據傳輸的應用．震災防御技術，9（3）：496—507．

胡星星，滕云田，謝凡等，2013．基于MEMS傳感器的速度型地震計技術研究．地球物理學進展，28（1）：515—522．

Design and Implementation of Monitoring Network Systemfor Strong Motion Seismograph Based on Internet

Zhang Ying, Lin Yang and Guo Hongmei

（Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China）

The quasi-real-time strong motion observation obtained by the dense MEMS seismic seismograph network can provide efficient data for the rapid judgment of the post - earthquake disaster. This paper described the main steps and implementation process of MEMS accelerograph monitoring network system based on Internet, by using 3G/4G wireless communication and L2TP VPN technology, to realize the real-time transmission of MEMS data. Taking a simple networking model as an example, the results will help to provide a reference for establishing a flexible, practical, wide coverage intensive monitoring network with a certain security.

MEMS; Monitoring network; L2TP

10.11899/zzfy20170425

國家科技支撐計劃課題（2015BAK18B04）資助

2017-04-12

張穎，女，生于1984年。工程師。主要從事地震信息系統建設和管理。E-mail：68023086@qq.com

張穎，林洋，郭紅梅，2017．基于互聯網的強震儀監測網絡系統的設計與實現．震災防御技術，12（4）：978—984．