VPN技術(shù)在吉林九臺(tái)非天然地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李晴晴，呂 晗，鄭國(guó)棟，陳 闖

（吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117）

0 引言

地震應(yīng)急流動(dòng)監(jiān)測(cè)是指地震事件發(fā)生后，迅速在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)監(jiān)測(cè)儀器并進(jìn)行監(jiān)測(cè)、以獲取該事件的完整序列及更為豐富的地震波形資料為目的的短期臨時(shí)性監(jiān)測(cè)工作。應(yīng)急流動(dòng)監(jiān)測(cè)為彌補(bǔ)震中區(qū)無(wú)固定臺(tái)或周?chē)潭ㄅ_(tái)無(wú)法有效監(jiān)控的空白，對(duì)震中區(qū)發(fā)生的后續(xù)地震、特別是微震進(jìn)行有效快速的監(jiān)測(cè)，為地震發(fā)展趨勢(shì)判斷和地震發(fā)震機(jī)理研究提供豐富基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也在一定程度上起到安撫民心、穩(wěn)定社會(huì)的作用[1-2]。

2019年6月9日19時(shí)48分，吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)龍嘉堡礦業(yè)有限公司發(fā)生M2.3地震（礦震，屬于非天然地震的一種類(lèi)別），事故造成井下當(dāng)班作業(yè)人員9人遇難、10人受傷。事故發(fā)生后，我局在該礦區(qū)區(qū)域快速布設(shè)了10套流動(dòng)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備。

截至2020年10月19日，九臺(tái)礦區(qū)非天然地震流動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄了我省境內(nèi)天然地震85個(gè)，非天然地震168個(gè)。對(duì)非天然地震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析與研究，一方面是為了更加準(zhǔn)確地識(shí)別地震事件，提高地震速報(bào)能力，為政府應(yīng)急救援提供決策依據(jù)；另一方面，也可以利用非天然地震資料反演地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而為區(qū)域構(gòu)造研究和地震工程探查提供資料[3]。

1 吉林省地震應(yīng)急流動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

吉林省地震局高度重視地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急流動(dòng)監(jiān)測(cè)工作，注重發(fā)展新的地震現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)提升地震現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和組網(wǎng)能力。在“十五項(xiàng)目”由模擬監(jiān)測(cè)向全數(shù)字化監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的同時(shí)，還組建了應(yīng)急流動(dòng)監(jiān)測(cè)組，發(fā)展并利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)組成無(wú)線流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，并成功地應(yīng)用到多個(gè)破壞性天然地震和非天然地震事件的監(jiān)測(cè)中。

近年來(lái)，吉林省地震局應(yīng)急流動(dòng)測(cè)震監(jiān)測(cè)組先后完成了2013年松原M5.8震群、2017年松原寧江M4.9地震、2018年松原寧江M5.7地震及2019年松原寧江M5.1地震的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，共記錄到ML4.0以上地震33次。多次組織和參加了“東三省片區(qū)地震應(yīng)急演練”，2015年獲得“全國(guó)流動(dòng)測(cè)震應(yīng)急演練”第1名。

2 九臺(tái)非天然地震流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)及設(shè)備簡(jiǎn)介

2.1 九臺(tái)非天然地震流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)

為更好的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)春周邊地區(qū)，特別是九臺(tái)礦區(qū)范圍內(nèi)的非天然地震事件，吉林省地震局流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)組經(jīng)過(guò)對(duì)礦震震中位置實(shí)地考察、科學(xué)分析和對(duì)多方意見(jiàn)綜合篩選，確定在距2019年6月9日2.3級(jí)礦震震中6km范圍內(nèi)布設(shè)流動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

九臺(tái)非天然地震流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)于2019年7月完成勘選工作，整個(gè)流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)10個(gè)測(cè)點(diǎn)于同年8月底完成布設(shè)并投入使用，監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 九臺(tái)礦區(qū)非天然地震流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of non-natural earthquake mobile network in Jiutai mining area

為減少外界環(huán)境溫度及生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，地震監(jiān)測(cè)的核心設(shè)備——地震計(jì)采取地埋或者放置于農(nóng)戶(hù)家地窖內(nèi)，并放置于以水泥澆筑的簡(jiǎn)易擺墩上，電源及通訊設(shè)備放置在室內(nèi)。每個(gè)流動(dòng)監(jiān)測(cè)站由監(jiān)測(cè)設(shè)備（包括地震計(jì)和數(shù)采）、無(wú)線通信設(shè)備和供電設(shè)備組成。流動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備及無(wú)線通訊示意圖如圖2所示。

圖2 流動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備及無(wú)線通訊示意圖Fig.2 Schematic diagram of mobile observing system and wireless communication

2.2 監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

九臺(tái)非天然地震流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)由流動(dòng)監(jiān)測(cè)站、數(shù)據(jù)傳輸信道、省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心等組成。

2.2.1 流動(dòng)監(jiān)測(cè)站

流動(dòng)監(jiān)測(cè)站包含監(jiān)測(cè)設(shè)備、供電設(shè)備和通信設(shè)備等。監(jiān)測(cè)設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集器和地震計(jì)，數(shù)據(jù)采集器為北京港震公司生產(chǎn)的EDAS-24GN、FSS-3M兩種地震數(shù)據(jù)采集器。地震計(jì)采用港震的GL-CS60三分向小型寬頻帶地震計(jì)、GL-PS2短周期數(shù)字地震計(jì)和英國(guó)GURALP公司生產(chǎn)的CMG-40TDE便攜式一體化寬頻帶數(shù)字地震計(jì)。

供電設(shè)備由RH-C150型智能電源和蓄電池組成，由北京遠(yuǎn)航信通科技有限責(zé)任公司研制生產(chǎn)。系統(tǒng)連接完成并通電后，RH-C150型智能電源將220V的交流市電進(jìn)行降壓、整流、濾波后輸出為監(jiān)測(cè)儀器可以使用的穩(wěn)定的12V直流電，并對(duì)蓄電池充電。當(dāng)智能電源系統(tǒng)檢測(cè)到電源工作電壓低于設(shè)定的電壓值后，RHC150型智能電源自動(dòng)切換到蓄電池供電[3]。

通訊設(shè)備采用華訊威達(dá)公司生產(chǎn)的WR-4GN 4G VPN路由器。此路由器支持L2TP、IPsec及GRE等幾種VPN工作模式，支持QOS及SNMP網(wǎng)管功能。圖形界面配置、性能穩(wěn)定、安全性高，支持無(wú)線WiFi，最高無(wú)線速率達(dá)到300M，工作溫度在-25～65℃，適合在東北冬季室外和野外使用[3]。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸信道

流動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)傳輸方式為VPN方式，VPN是一種虛擬專(zhuān)用網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)在互聯(lián)網(wǎng)上建立流動(dòng)監(jiān)測(cè)站到省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心的私有鏈路，從而將流動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚到省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心。

2.2.3 省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心

省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心作為流動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)匯聚10個(gè)流動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心VPN設(shè)備采用了銳捷的RG-RSR20-14E模塊化VPN路由器，路由器有2個(gè)WAN口、24個(gè)LAN口，內(nèi)置防火墻，支持QOS、SNMP和VPN功能，支持圖形化Web管理，傳輸速率為10/100/1000Mbps，電源電壓為AC 100～240V，工作頻率為50～60Hz，工作溫度為0～50℃，適合在室內(nèi)機(jī)房使用。

省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心路由器搭建好VPN服務(wù)后同10個(gè)流動(dòng)監(jiān)測(cè)站的4G路由器建立起行業(yè)網(wǎng)VPN隧道，流動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在4G路由和銳捷VPN路由器建立起的行業(yè)網(wǎng)VPN隧道中傳輸，最終經(jīng)臺(tái)網(wǎng)中心核心交換機(jī)傳遞至測(cè)震數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行分析處理。

3 VPN技術(shù)及其在吉林九臺(tái)礦區(qū)非天然地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 VPN技術(shù)簡(jiǎn)介

VPN的英文全稱(chēng)是“Virtual Private Network”，翻譯為“虛擬專(zhuān)用網(wǎng)”。顧名思義，VPN并不是真正的物理鏈路，它是指依靠運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)和其他NSP（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商）在公共網(wǎng)絡(luò)中建立加密的私有鏈路（加密遠(yuǎn)程鏈接）。形象地說(shuō)，用戶(hù)使用VPN后，可以在公共網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行私有流量，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和維護(hù)成本。由于它是加密通道，因此數(shù)據(jù)傳輸將非常安全和保密，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。

3.2 VPN的工作機(jī)制

在VPN鏈路中，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信都沒(méi)有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)專(zhuān)線所需的端到端物理鏈路，而是由某個(gè)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的資源動(dòng)態(tài)組成。也可以說(shuō)，VPN使用IP機(jī)制，通過(guò)私有隧道技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上模擬數(shù)據(jù)專(zhuān)線和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專(zhuān)線技術(shù)。所謂虛擬，是指用戶(hù)不再需要擁有實(shí)際的數(shù)據(jù)專(zhuān)線，而是將數(shù)據(jù)專(zhuān)線作為一種媒介，在專(zhuān)線中虛擬出一個(gè)私有信道。所謂專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，是指用戶(hù)可以制造出最能滿(mǎn)足其特定需求的網(wǎng)絡(luò)。

3.3 VPN的分類(lèi)

目前，主流的VPN技術(shù)包括SSL VPN、IPSec VPN和L2TP VPN。

IPSec VPN技術(shù)是一種基于三層網(wǎng)絡(luò)的VPN技術(shù)。它為用戶(hù)提供了高質(zhì)量、基于密碼的安全認(rèn)證技術(shù)，具有很強(qiáng)的安全性和隱私性。在地震系統(tǒng)中，它主要用于GNSS，重力和其他機(jī)密數(shù)據(jù)傳輸[7]。

SSL VPN技術(shù)廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和用戶(hù)瀏覽器之間的隧道傳輸技術(shù)。SSL協(xié)議在應(yīng)用層協(xié)議通信之前完成加密，密鑰協(xié)商和服務(wù)器身份驗(yàn)證。它是最安全的隧道技術(shù)之一，也是遠(yuǎn)程辦公最常見(jiàn)的VPN形式。SSL VPN既可以通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)，也可以通過(guò)客戶(hù)端訪問(wèn)，非常方便。而且，SSL VPN可以繞過(guò)防火墻和代理服務(wù)器來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部資源，這對(duì)于基于IPSec安全協(xié)議的遠(yuǎn)程訪問(wèn)是困難的或不可能的。

L2TP VPN是一種VPDN虛擬專(zhuān)用撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它利用互聯(lián)網(wǎng)撥號(hào)功能接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)，從而為小型企業(yè)、移動(dòng)辦公等提供接入服務(wù)。L2TP VPN的優(yōu)點(diǎn)是L2TP協(xié)議本身基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)層2協(xié)議，部署方式靈活簡(jiǎn)單。

移動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸主要是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控站與省級(jí)網(wǎng)絡(luò)中心之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。由于移動(dòng)監(jiān)控環(huán)境的不確定性，采用4G無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于VPN隧道的數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫切切屯負(fù)洌總€(gè)監(jiān)控站的4G路由器和省局的銳捷VPN只與靜態(tài)路由協(xié)議通信。整個(gè)移動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置分為兩部分，一部分是省局的銳捷VPN路由器配置，另一部分是9個(gè)監(jiān)控站的無(wú)線路由器配置。

3.4 VPN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的不同，VPN可以分為兩類(lèi)，即：遠(yuǎn)程訪問(wèn)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（access VPN/也稱(chēng)為VPDN）和企業(yè)內(nèi)部虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（Intranet VPN）。VPDN主要用于個(gè)人在不同地方訪問(wèn)單位內(nèi)部專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，所以這里就不過(guò)多介紹了。下面重點(diǎn)介紹內(nèi)部虛擬專(zhuān)用網(wǎng)。

內(nèi)網(wǎng)VPN是由不同地域分布的大中型企事業(yè)單位建立的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)隧道，單位內(nèi)各機(jī)構(gòu)可以很好地共享數(shù)據(jù)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，可以建立虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，在總部分布在不同地理位置的分支機(jī)構(gòu)。此應(yīng)用本質(zhì)上是通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)在路由器之間建立VPN連接，以傳輸用戶(hù)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)[7]。

3.5 省級(jí)臺(tái)網(wǎng)中心VPN路由器主要配置

考慮到移動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的特殊性，應(yīng)急移動(dòng)監(jiān)控團(tuán)隊(duì)采用L2TP VPN技術(shù)組成移動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在省網(wǎng)中心機(jī)房部署了一款銳捷RG-RS20-14E&F系列VPN路由器，作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端。通過(guò)在10個(gè)監(jiān)測(cè)站的4G路由器和銳捷VPN路由器之間構(gòu)建L2TP VPN隧道，將10個(gè)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回到省級(jí)網(wǎng)絡(luò)中心的地震數(shù)據(jù)流服務(wù)器。VPN路由器配置如表1所示。

表1 VPN路由器配置信息

3.6 九臺(tái)監(jiān)測(cè)站4G路由器配置

應(yīng)急流動(dòng)監(jiān)測(cè)組在10個(gè)監(jiān)測(cè)站各部署1臺(tái)華訊威達(dá)工業(yè)級(jí)4G路由器，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)同省局的VPN路由器建立L2TP VPN隧道，并接入到省局的地震行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)。筆者以羊草村測(cè)點(diǎn)4G路由器為例，配置信息如表2所示。

表2 羊草村測(cè)點(diǎn)4G路由器配置信息

4G路由配置包括當(dāng)前測(cè)點(diǎn)路由的子網(wǎng)信息、VPN協(xié)議以及省局銳捷VPN服務(wù)器的口令等。在配置完以上信息后，4G路由通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接至省局銳捷VPN服務(wù)器并核對(duì)隧道口令以及子網(wǎng)信息，雙方建立起行業(yè)網(wǎng)VPN隧道并建立起監(jiān)測(cè)站和省級(jí)中心兩端的通信。

4 應(yīng)用測(cè)試

4.1 服務(wù)端測(cè)試

配置生效之后，省局端的銳捷路由器靜態(tài)路由表中的羊草村4G路由的路由信息狀態(tài)將顯示為“激活”。這說(shuō)明VPN通道已經(jīng)建立成功，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。

在VPN路由器命令行中使用show ip int bri命令可以查看到客戶(hù)端已經(jīng)撥入服務(wù)器，協(xié)議和狀態(tài)都為UP。

4.2 客戶(hù)端測(cè)試

如果L2TP VPN隧道建立成功，則測(cè)點(diǎn)4G路由的Web界面VPNL2TP信息上將顯示相關(guān)的VPN隧道連接信息，接收和發(fā)送端都有數(shù)據(jù)包，說(shuō)明連接已經(jīng)建立成功。監(jiān)測(cè)站4G路由器隧道信息如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)站4G路由器隧道信息示意圖Fig.3 Schematic diagram of tunnel information of 4G router

4.3 數(shù)據(jù)接收測(cè)試

在省局的行業(yè)網(wǎng)環(huán)境下，打開(kāi)EDAS-GNSMS數(shù)據(jù)采集軟件，輸入羊草村監(jiān)測(cè)站的數(shù)采信息，可以監(jiān)測(cè)到羊草村監(jiān)測(cè)站地震計(jì)接收的實(shí)時(shí)連續(xù)波形。經(jīng)過(guò)以上三個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試，說(shuō)明流動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)已經(jīng)成功穿越互聯(lián)網(wǎng)VPN隧道，傳輸?shù)搅耸【值臄?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。

圖4 流動(dòng)地震監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)接收波形圖Fig.4 Data reception waveform of flow seismic monitoring point

5 結(jié)論與建議

（1）利用L2TP VPN技術(shù)將流動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降卣鹦袠I(yè)網(wǎng)，是目前流動(dòng)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞剑鋬?yōu)勢(shì)在實(shí)際地震監(jiān)測(cè)和片區(qū)演練中得到了明顯的體現(xiàn)。

（2）L2TP VPN技術(shù)中的隧道技術(shù)、身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)封裝等技術(shù)用于流動(dòng)監(jiān)測(cè)組網(wǎng)操作簡(jiǎn)單、部署快速靈活、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠[4]。相比傳統(tǒng)的光纖信道鋪設(shè)方式，部署更加快速、成本更低廉，能應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜地理?xiàng)l件下的快速布臺(tái)監(jiān)測(cè)工作。對(duì)于解決流動(dòng)地震監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和儀器遠(yuǎn)程維護(hù)等有一定借鑒意義。

（3）在架設(shè)流動(dòng)測(cè)震臺(tái)的同時(shí)，多架設(shè)流動(dòng)強(qiáng)震臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)的觀測(cè)記錄，自動(dòng)完成烈度計(jì)算和速報(bào)，可為全省范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)地震烈度速報(bào)打下基礎(chǔ)[6]。

（4）流動(dòng)監(jiān)測(cè)的作用不但包括了獲取余震監(jiān)測(cè)資料、提高能力、提高定位精度獲取地震烈度等，還包括在地震現(xiàn)場(chǎng)安撫民心、穩(wěn)定社會(huì)的責(zé)任[6]。